多线程环境下安全处理SIGTERM/SIGINT信号并实现优雅退出

题目

多线程环境下安全处理SIGTERM/SIGINT信号并实现优雅退出

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

信号处理安全性, 多线程同步, 异步信号安全函数, 资源清理, 竞态条件避免

快速回答

实现要点：

• 使用volatile sig_atomic_t全局标志位通知退出
• 信号处理程序仅设置标志位，避免复杂操作
• 主线程通过pthread_sigmask独占信号处理
• 定期检查标志位，在安全点执行资源清理
• 使用内存屏障确保标志位可见性
• 清理时正确处理线程同步（如pthread_join）

核心挑战

在多线程环境中处理信号需解决：1) 信号可能被任意线程捕获 2) 信号处理函数执行时可能中断非异步安全的代码 3) 全局状态同步问题 4) 资源清理的线程安全问题。

解决方案

1. 信号处理程序设计

#include <signal.h>
#include <stdatomic.h>

static volatile sig_atomic_t shutdown_requested = 0;

void signal_handler(int sig) {
    // 仅设置原子标志位
    (void)sig;  // 显式忽略参数避免警告
    atomic_signal_fence(memory_order_seq_cst);
    shutdown_requested = 1;
}

关键点：

• 使用sig_atomic_t保证原子访问
• atomic_signal_fence确保内存可见性
• 避免调用printf/malloc等非异步安全函数

2. 多线程信号屏蔽

// 主线程初始化时屏蔽信号
sigset_t mask;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGTERM);
sigaddset(&mask, SIGINT);
pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

// 创建工作者线程（自动继承信号掩码）
pthread_t worker_thread;
pthread_create(&worker_thread, NULL, worker_func, NULL);

// 主线程专用信号处理
struct sigaction sa = {
    .sa_handler = signal_handler,
    .sa_flags = SA_RESTART
};
sigaction(SIGTERM, &sa, NULL);
sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

// 主线程等待信号
int sig;
sigwait(&mask, &sig);  // 解除阻塞并处理信号

3. 优雅退出流程

void* worker_func(void* arg) {
    while (!shutdown_requested) {
        // 工作循环中定期检查标志
        do_work();

        // 内存屏障确保读取最新值
        atomic_thread_fence(memory_order_acquire);
    }
    cleanup_resources();
    return NULL;
}

// 主线程清理逻辑
void graceful_shutdown() {
    // 1. 通知所有线程退出
    shutdown_requested = 1;
    atomic_thread_fence(memory_order_release);

    // 2. 等待线程终止
    pthread_join(worker_thread, NULL);

    // 3. 释放共享资源
    destroy_connection_pool();
    flush_write_buffers();
}

最佳实践

• 专用信号线程：创建单独线程用sigwait同步处理信号
• 双重检查锁定：对全局标志使用atomic_load/atomic_store
• 超时机制：在pthread_join中设置超时，防止线程卡死
• 信号队列：通过signalfd(Linux)将信号转为文件描述符事件

常见错误

• ❌ 在信号处理程序中调用pthread_mutex_lock（可能死锁）
• ❌ 未屏蔽信号导致多线程竞态处理
• ❌ 使用普通int作为标志位（缺少原子性保证）
• ❌ 直接在线程中调用exit()导致资源泄漏

扩展知识

• 实时信号：SIGRTMIN以上信号可排队处理，避免丢失
• 自死锁场景：信号中断malloc内部锁时再次调用malloc
• 替代方案：使用eventfd+epoll实现无信号退出机制
• 平台差异：BSD系使用kqueue，Windows有结构化异常处理