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文章專欄-Linux

前言：

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程發(fā)起某種操作（如I/O請(qǐng)求、信號(hào)、鎖的獲取等），但該操作需要的資源暫時(shí)不可用時(shí)，進(jìn)程會(huì)被操作系統(tǒng)掛起，進(jìn)入“等待隊(duì)列”或“阻塞狀態(tài)”。在此期間，進(jìn)程不占用CPU，但仍保留其內(nèi)存、文件描述符等資源

進(jìn)程等待的必要性

僵尸進(jìn)程的存在

僵尸進(jìn)程的成因

• 當(dāng)子進(jìn)程終止后，它的退出狀態(tài)需要由父進(jìn)程通過調(diào)用 wait() 或 waitpid() 系統(tǒng)調(diào)用回收。
• 如果父進(jìn)程未回收子進(jìn)程的退出狀態(tài)，子進(jìn)程會(huì)以“僵尸進(jìn)程”的形式保留在進(jìn)程表中。

特征：

• 在 Linux 系統(tǒng)中，可以用 ps 命令查看，僵尸進(jìn)程的狀態(tài)為 Z（Zombie）。
• 僵尸進(jìn)程是操作系統(tǒng)保留的一個(gè)條目，主要用于父進(jìn)程檢查子進(jìn)程的退出狀態(tài)。

如下：

從圖片中可以看到一個(gè)典型的 僵尸進(jìn)程 的現(xiàn)象：

• 進(jìn)程 27864 被強(qiáng)制終止（kill -9 27864），但它的父進(jìn)程（27863）沒有調(diào)用 wait() 或 waitpid() 來回收其子進(jìn)程的退出狀態(tài)。
• 因此，27864 被標(biāo)記為 <defunct> 狀態(tài)，即僵尸進(jìn)程。
• ps 輸出的 STAT 列中顯示 Z+，這是僵尸進(jìn)程的狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

進(jìn)程等待

進(jìn)程等待是操作系統(tǒng)中一種重要的狀態(tài)，指的是某個(gè)進(jìn)程由于資源不足或條件未滿足，暫時(shí)無法繼續(xù)執(zhí)行而被掛起的現(xiàn)象。

• 使用 wait() 或 waitpid() 回收子進(jìn)程

wait ( )

參數(shù)：

• int *status：
  

  • 用于保存子進(jìn)程的狀態(tài)信息（如退出碼或終止信號(hào)）。
  • 如果不需要獲取子進(jìn)程狀態(tài)，可以將其傳入 NULL。

返回值：

• 成功：
  • 返回已終止的子進(jìn)程的 PID。
• 失敗：
  • 返回 -1，并設(shè)置 errno。
  • 常見錯(cuò)誤包括：
    • ECHILD：當(dāng)前進(jìn)程沒有子進(jìn)程。
    • EINTR：調(diào)用被信號(hào)中斷。

wait() 的作用

1. 阻塞父進(jìn)程：
   • wait() 會(huì)阻塞父進(jìn)程，直到任意一個(gè)子進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生變化（通常是終止）。
2. 回收子進(jìn)程資源：
   • 子進(jìn)程終止后，其資源仍然保留在系統(tǒng)中，直到父進(jìn)程調(diào)用 wait() 或 waitpid() 回收它。
   • 如果父進(jìn)程不調(diào)用 wait() 或 waitpid()，子進(jìn)程會(huì)變成 僵尸進(jìn)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++) // 循環(huán)打印從 0 到 9 的數(shù)字{cout << i << endl; // 輸出當(dāng)前的循環(huán)變量 i}sleep(3); // 睡眠 3 秒，模擬子進(jìn)程的運(yùn)行延遲
}int main()
{pid_t id = fork(); // 創(chuàng)建子進(jìn)程cout << "id" << ":" << id << endl;if(id == 0) // 判斷是否是子進(jìn)程{sleep(3); // 子進(jìn)程先睡眠 3 秒childtast(); // 子進(jìn)程調(diào)用 childtast()，打印數(shù)字并睡眠}// 父進(jìn)程等待任意一個(gè)子進(jìn)程終止pid_t ret = wait(NULL); // 父進(jìn)程調(diào)用 wait()，阻塞等待子進(jìn)程終止if(ret == id) // 判斷 wait() 返回的進(jìn)程 ID 是否是創(chuàng)建的子進(jìn)程 ID{cout << "ret" << ":" << ret << endl; // 輸出子進(jìn)程的 IDcout << "wait success" << endl; // 輸出等待成功的消息}sleep(3); // 父進(jìn)程再睡眠 3 秒，模擬延遲return 0;
}

fork() 創(chuàng)建子進(jìn)程：

• 父進(jìn)程和子進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行。
• 父進(jìn)程的 id 是子進(jìn)程的 PID，子進(jìn)程的 id 是 0。

子進(jìn)程的任務(wù)：

• 子進(jìn)程先睡眠 3 秒，然后執(zhí)行 childtast()，打印 0 到 9。

父進(jìn)程的等待：

• 父進(jìn)程調(diào)用 wait(NULL)，阻塞自身，直到子進(jìn)程終止。
• 當(dāng)子進(jìn)程完成任務(wù)并退出后，wait() 返回子進(jìn)程的 PID。

父進(jìn)程的后續(xù)操作：

• 父進(jìn)程輸出子進(jìn)程的PID和等待成功的消息。
• 父進(jìn)程再睡眠 3 秒后退出。

waitpid ( )

waitpid() 是 wait() 的增強(qiáng)版本，提供了更靈活的功能，允許父進(jìn)程：

1. 等待特定的子進(jìn)程。
2. 非阻塞等待子進(jìn)程。
3. 獲取子進(jìn)程的狀態(tài)（如退出狀態(tài)或被信號(hào)終止）。

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

參數(shù)說明

• pid：

  • pid > 0：等待特定的子進(jìn)程（指定的 PID）。

  • pid == 0：等待與當(dāng)前進(jìn)程同一個(gè)進(jìn)程組的任意子進(jìn)程。

  • pid < -1：等待進(jìn)程組 ID 為 |pid| 的任意子進(jìn)程。

    wait(NULL) //等價(jià)于 waitpid(-1,NULL,0); 
    

  • pid == -1：等效于 wait()，等待任意子進(jìn)程。

status 字段的結(jié)構(gòu)

status：

• 指向一個(gè)整數(shù)的指針，用于存儲(chǔ)子進(jìn)程的狀態(tài)信息（退出狀態(tài)、信號(hào)等）。
• 若不關(guān)心狀態(tài)信息，可將其設(shè)為 NULL。

在 Linux 系統(tǒng)中，status 是一個(gè)整數(shù)，表示子進(jìn)程狀態(tài)的多種可能性，底層通過位字段表示：

位字段	含義
位 0-7	子進(jìn)程退出的信號(hào)或退出碼（低 8 位）。
位 8-15	退出狀態(tài)（高 8 位，存儲(chǔ)正常退出碼）。
位 16-23	暫停信號(hào)編號(hào)。

代碼解析字段

#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 << "退出碼" << ((status >> 8)& 0xff ) <<" "<< "信號(hào)碼" << (status & 0x7f)<< endl;return 0;
}

完整運(yùn)行流程

fork() 創(chuàng)建子進(jìn)程：

• 父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程，并返回子進(jìn)程的 PID。

子進(jìn)程邏輯：

• 子進(jìn)程休眠 3 秒后正常退出，退出碼為 1。

父進(jìn)程邏輯：

• 父進(jìn)程調(diào)用 waitpid() 阻塞等待子進(jìn)程終止。
• 獲取子進(jìn)程的狀態(tài)信息，并解析退出碼和信號(hào)碼。

父進(jìn)程輸出狀態(tài)信息：

• 輸出子進(jìn)程的 PID、狀態(tài)值、退出碼和信號(hào)碼。

解析邏輯：

• 退出碼：

  (status >> 8) & 0xff
  

  • 獲取高 8 位的退出碼。

• 信號(hào)碼：

  status & 0x7f
  

  • 獲取低 7 位的信號(hào)碼.

  示例1：進(jìn)程正常退出的退出碼。

  

  示例2：提取被9號(hào)信號(hào)殺死的進(jìn)程信號(hào)碼

  

  id:1667          // 父進(jìn)程輸出，子進(jìn)程的 PID 是 1667
  id:0             // 子進(jìn)程輸出，表明當(dāng)前是子進(jìn)程
  ret:1667         // 父進(jìn)程成功等待到子進(jìn)程結(jié)束，返回子進(jìn)程 PID
  wait success     // 父進(jìn)程確認(rèn)子進(jìn)程終止
  status :9        // 父進(jìn)程獲取子進(jìn)程狀態(tài)值為 9
  退出碼0 信號(hào)碼9   // 父進(jìn)程解析狀態(tài)值：// - 退出碼 0：子進(jìn)程未通過 exit() 返回退出碼// - 信號(hào)碼 9：子進(jìn)程被 SIGKILL 信號(hào)終止
  

  庫中提供的宏替換

  解析退出碼和信號(hào)編號(hào)

  • WIFEXITED(status)：
    • 如果為真，表示子進(jìn)程正常退出，其退出碼存儲(chǔ)在高 8 位。
    • 使用 (status >> 8) & 0xff 提取退出碼。
  • WEXITSTATUS(status)：
    • 獲取退出碼的宏，等價(jià)于 (status >> 8) & 0xff。
    • 必須確保 WIFEXITED(status) 為真后使用。

解析退出碼和信號(hào)編號(hào)

• WIFEXITED(status)
  • 如果為真，表示子進(jìn)程正常退出，其退出碼存儲(chǔ)在高 8 位。
  • 使用 (status >> 8) & 0xff 提取退出碼。
• WEXITSTATUS(status)：== status & 0x7f
  • 獲取退出碼的宏，
  • 必須確保 WIFEXITED(status) 為真后使用。

options參數(shù)介紹

阻塞與非阻塞

特性	阻塞	非阻塞
進(jìn)程狀態(tài)	等待資源時(shí)掛起，無法執(zhí)行其他任務(wù)。	立即返回，不會(huì)掛起，進(jìn)程可執(zhí)行其他任務(wù)。
適用場景	簡單任務(wù)、對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)。	多任務(wù)并發(fā)、實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)。
復(fù)雜性	實(shí)現(xiàn)簡單，邏輯清晰。	邏輯復(fù)雜，需要輪詢或回調(diào)處理資源狀態(tài)。
CPU 使用	不浪費(fèi) CPU 資源，進(jìn)程處于掛起狀態(tài)。	需要輪詢資源狀態(tài)，可能增加 CPU 占用。
資源管理	等待資源的管理交由操作系統(tǒng)處理。	需要程序主動(dòng)檢查資源狀態(tài)，增加開發(fā)復(fù)雜度。

options：

• 用于指定額外的選項(xiàng)：
  • 0：阻塞等待。
  • WNOHANG：非阻塞等待。
  • WUNTRACED：返回暫停的子進(jìn)程狀態(tài)（子進(jìn)程因 SIGSTOP 信號(hào)暫停）。
  • WCONTINUED：返回恢復(fù)運(yùn)行的子進(jìn)程狀態(tài)（子進(jìn)程因 SIGCONT 信號(hào)繼續(xù)運(yùn)行）。

WNOHANG

• 非阻塞模式：
  • 如果沒有子進(jìn)程終止，waitpid() 會(huì)立即返回，而不是阻塞父進(jìn)程。
• 返回值：
  • 如果有子進(jìn)程狀態(tài)變化，則返回子進(jìn)程的 PID。
  • 如果沒有子進(jìn)程狀態(tài)變化，則返回 0。

非阻塞輪詢

#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(); // 創(chuàng)建子進(jìn)程if (pid == 0) {// 子進(jìn)程邏輯cout << "Child process running..." << endl;sleep(5); // 模擬子進(jìn)程任務(wù)，延遲 5 秒cout << "Child process exiting..." << endl;exit(42); // 子進(jìn)程以退出碼 42 正常退出} else if (pid > 0) {// 父進(jìn)程邏輯int status;while (true) {pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞檢查子進(jìn)程狀態(tài)if (ret == 0) {// 子進(jìn)程尚未終止，父進(jìn)程繼續(xù)其他工作cout << "Child process still running. Parent doing other work..." << endl;this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // 模擬父進(jìn)程任務(wù)} else if (ret > 0) {// 子進(jìn)程已終止，解析狀態(tài)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; // 結(jié)束輪詢} else {// waitpid 出錯(cuò)perror("waitpid failed");break;}}} else {// fork 失敗perror("fork failed");return 1;}return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果：

多進(jìn)程下的進(jìn)程等待

阻塞等待多個(gè)子進(jìn)程

示例代碼：等待所有子進(jìn)程完成

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;int main() {// 創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程for (int i = 0; i < 3; ++i) {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子進(jìn)程cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") running..." << endl;sleep(2 + i); // 每個(gè)子進(jìn)程休眠不同時(shí)間cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") exiting..." << endl;exit(i); // 子進(jìn)程以其序號(hào)為退出碼}}// 父進(jìn)程：等待所有子進(jìn)程完成int status;while (true) {pid_t ret = wait(&status); // 阻塞等待任意一個(gè)子進(jìn)程結(jié)束if (ret == -1) {// 沒有子進(jìn)程可等待時(shí)退出循環(huán)cout << "All child processes have finished." << endl;break;// 解析子進(jìn)程狀態(tài)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;
}

代碼執(zhí)行：

非阻塞輪詢等待多個(gè)子進(jìn)程

示例代碼：非阻塞等待多個(gè)子進(jìn)程

通過 waitpid() 配合 WNOHANG 實(shí)現(xiàn)父進(jìn)程的非阻塞輪詢，定期檢查是否有子進(jìn)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() {// 創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程for (int i = 0; i < 3; ++i) {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子進(jìn)程cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") running..." << endl;sleep(2 + i); // 每個(gè)子進(jìn)程休眠不同時(shí)間cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") exiting..." << endl;exit(i); // 子進(jìn)程以其序號(hào)為退出碼}}// 父進(jìn)程：非阻塞輪詢等待所有子進(jìn)程完成int status;int completed = 0; // 已完成的子進(jìn)程計(jì)數(shù)while (completed < 3) {pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞檢查子進(jìn)程狀態(tài)if (ret > 0) {// 有子進(jìn)程狀態(tài)變化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) {// 沒有子進(jìn)程狀態(tài)變化，父進(jìn)程繼續(xù)其他工作cout << "No child process exited yet. Parent doing other work..." << endl;this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // 模擬其他任務(wù)} else {// 錯(cuò)誤處理perror("waitpid failed");break;}}cout << "All child processes have finished." << endl;return 0;
}

代碼執(zhí)行：