【Linux进程控制】进程等待

news2024/9/19 10:33:23

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进程等待

进程等待是什么？

为什么？

怎么办？

wait方法

获取子进程status

多进程的等待问题

waitpid方法

什么是阻塞等待？什么是非阻塞等待？

wait/waitpid获取子进程信息原理

进程等待

进程等待是什么？

任何子进程，在退出的情况下，一般必须要被父进程进行等待。在退出的时候，如果父进程不管不顾，退出进程，则子进程就变成僵尸状态（Z状态），kill -9 都无法杀死，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程，最终会造成内存泄漏

子进程的僵尸只能由父进程解决，父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息（因为父进程需要知道自己派给子进程运行结果是否正确。子进程是否正常退出等）

为什么？

1.父进程通过等待，解决子进程退出的僵尸问题，回收系统资源（一定要考虑的）

2.获取子进程的退出信息，要知道子进程是因为什么原因退出的（可选的功能）

正是因为这两点，我们需要进程等待

怎么办？

wait方法

当子进程等待成功的时候，会返回等待成功的子进程pid，失败则返回-1。而传入的参数status为输出型参数，如果需要回去子进程的退出状态，则需要传入status；若不关心，则可以填写NULL。

【示例1】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		int cnt = 5;
		while(cnt)
		{
			printf("[%d]->I am child process! pid = %d, ppid = %d\n", cnt, getpid(), getppid());
			cnt--;
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0)
	{
		printf("wait %d success! status = %d\n", ret, status);
	}
	return 0;
}
[wuxu@Nanyi lesson17]$ gcc -o test wait1.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson17]$ ./test
[5]->I am child process! pid = 4593, ppid = 4592
[4]->I am child process! pid = 4593, ppid = 4592
[3]->I am child process! pid = 4593, ppid = 4592
[2]->I am child process! pid = 4593, ppid = 4592
[1]->I am child process! pid = 4593, ppid = 4592
wait 4593 success! status = 0

从上面代码可以发现，当子进程在执行时，父进程并不会执行wait之后的if判断语句，而是阻塞在pid_t ret = wait(&status);处等待子进程退出。故wait是阻塞等待的。

获取子进程status

❍ wait 和 waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充

❍ 如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息

❍ 否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程

❍ status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16位的比特位）

①正常终止时，第8到第15位保存进程的退出状态 ②异常终止时，第8到第15位保存进程的退出状态（但异常终止的退出状态不一定能正确标识进程的退出状态，这里的退出状态是无效的，直接忽略），第7位为coredump标志位，这里先忽略这一位，将于后面的文章中介绍，第0到7位存储的是当前进程收到的信号。

status参数中可能包含的信息：

  • 退出码：如果子进程是正常退出，status将包含子进程的退出码。

  • 信号编号：如果子进程是因信号而终止，status将包含导致子进程终止的信号编号。

  • 暂停状态：如果子进程被暂停（例如，由信号SIGSTOP、SIGTSTP或SIGTTIN暂停），status将包含导致子进程暂停的信号编号。

  • 退出状态：如果子进程是正常退出，status的低8位（WIFEXITED(status)）将设置为1，并且WEXITSTATUS(status)将包含退出码。

  • 信号状态：如果子进程是因信号而终止，status的低8位（WIFSIGNALED(status)）将设置为1，并且WTERMSIG(status)将包含信号编号。

  • 暂停状态：如果子进程被暂停，status的低8位（WIFSTOPPED(status)）将设置为1，并且WSTOPSIG(status)将包含信号编号。

 

 如果我们想获取子进程的退出码和退出信号，则上面代码应修改成下面这样

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		int cnt = 5;
		while(cnt)
		{
			printf("[%d]->I am child process! pid = %d, ppid = %d\n", cnt, getpid(), getppid());
			cnt--;
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0)
	{
		printf("wait %d success! exitcode = %d sig = %d\n", ret, ((status >> 8) & 0xFF), (status & 0x7F));
	}
	return 0;
}

[wuxu@Nanyi lesson17]$ gcc -o test wait1.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson17]$ ./test
[5]->I am child process! pid = 4928, ppid = 4927
[4]->I am child process! pid = 4928, ppid = 4927
[3]->I am child process! pid = 4928, ppid = 4927
[2]->I am child process! pid = 4928, ppid = 4927
[1]->I am child process! pid = 4928, ppid = 4927
wait 4928 success! exitcode = 0 sign = 0
多进程的等待问题
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
	int i = 0;
	for(; i < 5; i++)
	{
		pid_t id = fork();
		if(id == 0)
		{
			int cnt = 5;
			while(cnt)
			{
				printf("[%d]->I am child process! pid = %d, ppid = %d\n", cnt, getpid(), getppid());
				cnt--;
				sleep(1);
			}
			exit(0);
		}
	}
	i = 0;
	for(; i < 5; i++)
	{
		int status = 0;
		pid_t ret = wait(&status);
		if(ret > 0)
		{
			printf("wait %d success! exitcode = %d sign = %d\n", ret, ((status >> 8) & 0xFF), (status & 0x7F));
		}
	}
	return 0;
}

waitpid方法

waitpid与wait方法相同，如果子进程等待成功，则返回该子进程的pid，如果返回失败则返回1；并且一样可以传入status获取子进程的退出信息

waitpid()函数比wait()函数多两个参数：pid和options。这两个参数允许用户更加精确地控制进程的等待行为

pid参数

  • 含义：pid参数是一个整数，它指定等待哪个子进程的结束。如果pid为-1，则waitpid()会等待任意一个子进程的结束。如果pid为0，则waitpid()会等待调用fork()创建的所有子进程的结束。如果pid大于0，则waitpid()会等待指定PID的子进程的结束。

  • 返回值：如果pid为-1，waitpid()返回最后一个子进程的PID；如果pid为其他值，则返回指定PID的子进程的PID。

options参数

  • 含义：options参数是一个整数，它定义了waitpid()的行为。这个参数可以是WNOHANG、WUNTRACED或它们的组合。

  • WNOHANG：如果指定的子进程尚未结束，waitpid()不会阻塞调用进程，而是立即返回。

  • WUNTRACED：如果指定的子进程暂停执行（如被信号暂停），waitpid()也会返回，并且不会返回WNOHANG。

  • WNOHANG和WUNTRACED不能同时使用。

status参数

  1. 如果子进程是正常终止的：

    • WIFEXITED(status) 宏可以用来检查子进程是否正常退出。如果是，WEXITSTATUS(status) 宏可以提取子进程的退出状态（即 exit() 或 _exit() 的参数）。

  2. 如果子进程是因信号而终止的：

    • WIFSIGNALED(status) 宏可以用来检查子进程是否因为捕获到的信号而终止。如果是，WTERMSIG(status) 宏可以提取导致子进程终止的信号的编号。

    • WCOREDUMP(status) 宏可以用来检查子进程是否产生了核心转储文件。

  3. 如果子进程是暂停状态（由于接收到 SIGSTOP, SIGTSTP, SIGTTIN, 或 SIGTTOU 信号）：

    • WIFSTOPPED(status) 宏可以用来检查子进程是否已经停止。如果是，WSTOPSIG(status) 宏可以提取导致子进程暂停的信号的编号。

  4. 如果子进程是从暂停状态继续运行的：

    • WIFCONTINUED(status) 宏可以用来检查子进程是否继续执行。

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t cpid, w;
    int status;

    cpid = fork();
    if (cpid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (cpid == 0) {    /* 子进程 */
        printf("子进程: 我将退出并返回状态 %d\n", 42);
        _exit(42); // 子进程退出，返回42
    } else {            /* 父进程 */
        do {
            w = waitpid(cpid, &status, WUNTRACED | WCONTINUED);
            if (w == -1) {
                perror("waitpid");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            if (WIFEXITED(status)) {
                printf("子进程正常终止，返回状态=%d\n", WEXITSTATUS(status));
            } else if (WIFSIGNALED(status)) {
                printf("子进程因信号 %d 终止\n", WTERMSIG(status));
            } else if (WIFSTOPPED(status)) {
                printf("子进程被信号 %d 暂停\n", WSTOPSIG(status));
            } else if (WIFCONTINUED(status)) {
                printf("子进程继续执行\n");
            }
        } while (!WIFEXITED(status) && !WIFSIGNALED(status));
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
}

【示例】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		int cnt = 5;
		while(cnt)
		{
			printf("[%d]->child process, pid = %d\n", cnt, getpid());
			cnt--;
			sleep(1);
		}
	}
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if(ret == id)
	{
		printf("wait %d success! exitcode = %d, sig =%d\n", ret ,((status >> 8) & 0xFF), (status & 0x7F));
	}
	return 0;
}

[wuxu@Nanyi lesson17]$ gcc -o test wait3.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson17]$ ./test
[5]->child process, pid = 5313
[4]->child process, pid = 5313
[3]->child process, pid = 5313
[2]->child process, pid = 5313
[1]->child process, pid = 5313
wait 5313 success! exitcode = 0, sign =0
什么是阻塞等待？什么是非阻塞等待？

【例子】阻塞等待

张三在大学是个学渣，上课时间天天出去玩，以致于明天就要期末考试了，于是找到学霸李四，要求李四帮忙辅导一下。于是张三打电话告诉李四“李四，你帮我辅导一下明天操作系统期末考试呗，顺便请你吃个饭，就当报答你了”，李四一听，说“可以，但是你要先等我一小时，我先把计算机组成原理看完”，于是张三就来到李四家楼下，等待着李四。张三什么事也不做，就在干巴巴的等着，每过一分钟就给李四打电话，问李四好了没，直到李四说好了，下楼了，他才停止

这种循环等待，其他事也不做，就在干巴巴等着等反馈，这就是阻塞式等待，上面的wait和waitpid代码均是阻塞等待，父进程在wait/waitpid函数上阻塞等待着子进程，而不做其他事，等子进程执行结束才执行下面的if判断语句。

阻塞式等待可以及时回收子进程，但父进程花费大量时间阻塞等待子进程，只要CPU时间片轮到父进程，父进程就一直循环等待子进程，这样效率明显不高

【例子】非阻塞等待

男女朋友约好一起去逛街，女朋友对男友说，你先等我1小时，我画个妆。于是男友开始等待女友，在等待的过程中，男友打打游戏，每打完一把游戏问女朋友好了没。像这种在等待时，顺便做一下其它任务，这种称为非阻塞等待。

像这种再等待时，顺带做一下其他任务，这种称为非阻塞等待。非阻塞等待执行的其他任务不应花费过多时间，以免影响父进程对子进程的等待与回收（因为父进程等待子进程才是主要任务，执行其他代码只是顺带执行，不是重点）。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

void PrintLog()
{
    printf("begin PrintLog...\n");
}
void Download()
{
    printf("begin Download...\n");
}
void MysqlDataSync()
{
    printf("begin MySQLDataSync...\n");
}

typedef void(*func_t)();

#define N 3
func_t tasks[N] = {NULL};

void LoadTask()
{
    tasks[0] = PrintLog;
    tasks[1] = Download;
    tasks[2] = MysqlDataSync;
}
void HandlerTask()
{
    for(int i = 0; i < N; i++)
    {
        tasks[i](); // 回调方式
    }
}

// fahter
void DoOtherThing()
{
    HandlerTask();
}


void ChildRun()
{
    //int *p = NULL;
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("I am child process, pid: %d, ppid:%d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);
        sleep(1);
        cnt--;
        //*p = 100;
    }
}

int main()
{
    printf("I am father, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());

    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // child
        ChildRun();
        printf("child quit ...\n");
        exit(123);
    }
    LoadTask();
    // father
    while(1)
    {
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, WNOHANG); // non block
        if(rid == 0)
        {
            sleep(1);
            printf("child is running, father check next time!\n");
            DoOtherThing();
        }
        else if(rid > 0)
        {
            if(WIFEXITED(status))
            {
                printf("child quit success, child exit code : %d\n", WEXITSTATUS(status));
            }
            else
            {
                printf("child quit unnormal!\n");
            }
            break;
        }
        else
        {
            printf("waitpid failed!\n");
            break;
        }
    }
      return 0;
    }

wait/waitpid获取子进程信息原理

当子进程处于僵尸状态时，系统至少要保留子进程的PCB，PCB中保存着子进程的退出码、收到的信号等退出信息。

当父进程在CPU上执行waitpid时，则进入内核态。处于内核态的执行语句有操作系统的权限，因此它可以读取子进程的退出信息，并将该退出信息填写入status。

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