Linux进程调度与等待：背后的机制与实现

news2025/4/20 15:51:25

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文章专栏-Linux

前言：

当一个进程发起某种操作（如I/O请求、信号、锁的获取等），但该操作需要的资源暂时不可用时，进程会被操作系统挂起，进入“等待队列”或“阻塞状态”。在此期间，进程不占用CPU，但仍保留其内存、文件描述符等资源

在这里插入图片描述

进程等待的必要性

僵尸进程的存在

僵尸进程的成因

  • 当子进程终止后，它的退出状态需要由父进程通过调用 wait() 或 waitpid() 系统调用回收。
  • 如果父进程未回收子进程的退出状态，子进程会以“僵尸进程”的形式保留在进程表中。

特征：

  • 在 Linux 系统中，可以用 ps 命令查看，僵尸进程的状态为 Z（Zombie）。
  • 僵尸进程是操作系统保留的一个条目，主要用于父进程检查子进程的退出状态。

如下：

在这里插入图片描述

从图片中可以看到一个典型的 僵尸进程 的现象：

  • 进程 27864 被强制终止（kill -9 27864），但它的父进程（27863）没有调用 wait() 或 waitpid() 来回收其子进程的退出状态。
  • 因此，27864 被标记为 <defunct> 状态，即僵尸进程。
  • ps 输出的 STAT 列中显示 Z+，这是僵尸进程的状态标识。

进程等待

进程等待是操作系统中一种重要的状态，指的是某个进程由于资源不足或条件未满足，暂时无法继续执行而被挂起的现象。

  • 使用 wait() 或 waitpid() 回收子进程

wait ( )

参数：

  • int *status：
    • 用于保存子进程的状态信息（如退出码或终止信号）。
    • 如果不需要获取子进程状态，可以将其传入 NULL。

返回值：

  • 成功：
    • 返回已终止的子进程的 PID。
  • 失败：
    • 返回 -1，并设置 errno。
    • 常见错误包括：
      • ECHILD：当前进程没有子进程。
      • EINTR：调用被信号中断。

wait() 的作用

  1. 阻塞父进程：
    • wait() 会阻塞父进程，直到任意一个子进程状态发生变化（通常是终止）。
  2. 回收子进程资源：
    • 子进程终止后，其资源仍然保留在系统中，直到父进程调用 wait() 或 waitpid() 回收它。
    • 如果父进程不调用 wait() 或 waitpid()，子进程会变成 僵尸进程。

示例：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

using namespace std;

void childtast()
{
    for(int i = 0; i < 10; i++) // 循环打印从 0 到 9 的数字
    {
        cout << i << endl; // 输出当前的循环变量 i
    }
    sleep(3); // 睡眠 3 秒，模拟子进程的运行延迟
}

int main()
{
    pid_t id = fork(); // 创建子进程
    cout << "id" << ":" << id << endl;

    if(id == 0) // 判断是否是子进程
    {
        sleep(3); // 子进程先睡眠 3 秒
        childtast(); // 子进程调用 childtast()，打印数字并睡眠
    }

    // 父进程等待任意一个子进程终止
    pid_t ret = wait(NULL); // 父进程调用 wait()，阻塞等待子进程终止
    if(ret == id) // 判断 wait() 返回的进程 ID 是否是创建的子进程 ID
    {
        cout << "ret" << ":" << ret << endl; // 输出子进程的 ID
        cout << "wait success" << endl; // 输出等待成功的消息
    }

    sleep(3); // 父进程再睡眠 3 秒，模拟延迟
    return 0;
}

fork() 创建子进程：

  • 父进程和子进程同时运行。
  • 父进程的 id 是子进程的 PID，子进程的 id 是 0。

子进程的任务：

  • 子进程先睡眠 3 秒，然后执行 childtast()，打印 0 到 9。

父进程的等待：

  • 父进程调用 wait(NULL)，阻塞自身，直到子进程终止。
  • 当子进程完成任务并退出后，wait() 返回子进程的 PID。

父进程的后续操作：

  • 父进程输出子进程的PID和等待成功的消息。
  • 父进程再睡眠 3 秒后退出。

waitpid ( )

waitpid() 是 wait() 的增强版本，提供了更灵活的功能，允许父进程：

  1. 等待特定的子进程。
  2. 非阻塞等待子进程。
  3. 获取子进程的状态（如退出状态或被信号终止）。
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

参数说明

  • pid：

    • pid > 0：等待特定的子进程（指定的 PID）。

    • pid == 0：等待与当前进程同一个进程组的任意子进程。

    • pid < -1：等待进程组 ID 为 |pid| 的任意子进程。

      wait(NULL) //等价于 waitpid(-1,NULL,0);

    • pid == -1：等效于 wait()，等待任意子进程。

status 字段的结构

status：

  • 指向一个整数的指针，用于存储子进程的状态信息（退出状态、信号等）。
  • 若不关心状态信息，可将其设为 NULL。

在 Linux 系统中，status 是一个整数，表示子进程状态的多种可能性，底层通过位字段表示：

位字段含义
位 0-7子进程退出的信号或退出码（低 8 位）。
位 8-15退出状态（高 8 位，存储正常退出码）。
位 16-23暂停信号编号。

代码解析字段

#include<iostream> 
#include<unistd.h> 
#include<sys/types.h> 
#include<sys/wait.h> 
using namespace std;
int main()
{    
    pid_t id = fork();    
        
    cout << "id" << ":" << id <<endl;    
    if(id == 0)    
    {    
        sleep(3);    
        exit(1);       
    }    
    int status;    
    pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);                                     
    if(ret == id)    
    {
        cout << "ret" << ":" << ret <<endl;    
        cout<< "wait success" <<endl;    
    }    

    cout <<"status :" << status << endl;
    cout << "退出码" << ((status >> 8)& 0xff ) <<" "<< "信号码" << (status & 0x7f)<< endl;
    return 0;
}
完整运行流程

fork() 创建子进程：

  • 父进程创建子进程，并返回子进程的 PID。

子进程逻辑：

  • 子进程休眠 3 秒后正常退出，退出码为 1。

父进程逻辑：

  • 父进程调用 waitpid() 阻塞等待子进程终止。
  • 获取子进程的状态信息，并解析退出码和信号码。

父进程输出状态信息：

  • 输出子进程的 PID、状态值、退出码和信号码。

解析逻辑：

解析退出码和信号编号
  • WIFEXITED(status)
    • 如果为真，表示子进程正常退出，其退出码存储在高 8 位。
    • 使用 (status >> 8) & 0xff 提取退出码。
  • WEXITSTATUS(status)：== status & 0x7f
    • 获取退出码的宏，
    • 必须确保 WIFEXITED(status) 为真后使用。

options参数介绍

阻塞与非阻塞
特性阻塞非阻塞
进程状态等待资源时挂起，无法执行其他任务。立即返回，不会挂起，进程可执行其他任务。
适用场景简单任务、对实时性要求不高的任务。多任务并发、实时性要求高的任务。
复杂性实现简单，逻辑清晰。逻辑复杂，需要轮询或回调处理资源状态。
CPU 使用不浪费 CPU 资源，进程处于挂起状态。需要轮询资源状态，可能增加 CPU 占用。
资源管理等待资源的管理交由操作系统处理。需要程序主动检查资源状态，增加开发复杂度。

options：

  • 用于指定额外的选项：
    • 0：阻塞等待。
    • WNOHANG：非阻塞等待。
    • WUNTRACED：返回暂停的子进程状态（子进程因 SIGSTOP 信号暂停）。
    • WCONTINUED：返回恢复运行的子进程状态（子进程因 SIGCONT 信号继续运行）。
WNOHANG
  • 非阻塞模式：
    • 如果没有子进程终止，waitpid() 会立即返回，而不是阻塞父进程。
  • 返回值：
    • 如果有子进程状态变化，则返回子进程的 PID。
    • 如果没有子进程状态变化，则返回 0。
非阻塞轮询
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <chrono>
#include <thread>
using namespace std;
int main() {
    pid_t pid = fork(); // 创建子进程

    if (pid == 0) {
        // 子进程逻辑
        cout << "Child process running..." << endl;
        sleep(5); // 模拟子进程任务，延迟 5 秒
        cout << "Child process exiting..." << endl;
        exit(42); // 子进程以退出码 42 正常退出
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程逻辑
        int status;
        while (true) {
            pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞检查子进程状态
            if (ret == 0) {
                // 子进程尚未终止，父进程继续其他工作
                cout << "Child process still running. Parent doing other work..." << endl;
                this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // 模拟父进程任务
            } else if (ret > 0) {
                // 子进程已终止，解析状态
                if (WIFEXITED(status)) {
                    cout << "Child process " << ret << " exited with code " << WEXITSTATUS(status) << endl;
                } else if (WIFSIGNALED(status)) {
                    cout << "Child process " << ret << " was terminated by signal " << WTERMSIG(status) << endl;
                }
                break; // 结束轮询
            } else {
                // waitpid 出错
                perror("waitpid failed");
                break;
            }
        }
    } else {
        // fork 失败
        perror("fork failed");
        return 1;
    }

    return 0;
}

执行结果：

在这里插入图片描述

多进程下的进程等待

阻塞等待多个子进程

示例代码：等待所有子进程完成

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;

int main() {
    // 创建多个子进程
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            // 子进程
            cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") running..." << endl;
            sleep(2 + i); // 每个子进程休眠不同时间
            cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") exiting..." << endl;
            exit(i); // 子进程以其序号为退出码
        }
    }

    // 父进程：等待所有子进程完成
    int status;
    while (true) {
        pid_t ret = wait(&status); // 阻塞等待任意一个子进程结束
        if (ret == -1) {
            // 没有子进程可等待时退出循环
            cout << "All child processes have finished." << endl;
            break;
        
        // 解析子进程状态
        if (WIFEXITED(status)) {
            cout << "Child process " << ret << " exited with code: " << WEXITSTATUS(status) << endl;
        } else if (WIFSIGNALED(status)) {
            cout << "Child process " << ret << " was terminated by signal: " << WTERMSIG(status) << endl;
        }
    }

    return 0;
}

代码执行：

在这里插入图片描述

非阻塞轮询等待多个子进程

示例代码：非阻塞等待多个子进程

通过 waitpid() 配合 WNOHANG 实现父进程的非阻塞轮询，定期检查是否有子进程完成。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <chrono>
#include <thread>
using namespace std;

int main() {
    // 创建多个子进程
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            // 子进程
            cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") running..." << endl;
            sleep(2 + i); // 每个子进程休眠不同时间
            cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") exiting..." << endl;
            exit(i); // 子进程以其序号为退出码
        }
    }

    // 父进程：非阻塞轮询等待所有子进程完成
    int status;
    int completed = 0; // 已完成的子进程计数
    while (completed < 3) {
        pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞检查子进程状态
        if (ret > 0) {
            // 有子进程状态变化
            completed++;
            if (WIFEXITED(status)) {
                cout << "Child process " << ret << " exited with code: " << WEXITSTATUS(status) << endl;
            } else if (WIFSIGNALED(status)) {
                cout << "Child process " << ret << " was terminated by signal: " << WTERMSIG(status) << endl;
            }
        } else if (ret == 0) {
            // 没有子进程状态变化，父进程继续其他工作
            cout << "No child process exited yet. Parent doing other work..." << endl;
            this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // 模拟其他任务
        } else {
            // 错误处理
            perror("waitpid failed");
            break;
        }
    }

    cout << "All child processes have finished." << endl;
    return 0;
}

代码执行：

在这里插入图片描述

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