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深入理解进程等待：wait的简化与waitpid的灵活性

news 2025/7/18 11:33:21
       进程等待是操作系统中进程管理的一个重要概念，指的是一个进程暂停执行，直到某个特定条件满足后再继续执行的过程。

目录

一、基本概念

二、进程等待的必要性

三、进程等待方法

1、wait方法

2、waitpid方法

3、注意事项

4、核心区别

5、waitpid 的 PID 参数选项

6、waitpid 的 options 选项

7、联系

四、获取子进程状态

Core Dump（了解即可）

五、阻塞与非阻塞等待

1、进程的阻塞等待方式

2、进程非阻塞等待实现

一、基本概念

进程等待通常发生在以下几种情况：

  1. 等待I/O操作完成：如磁盘读写、网络数据传输等

  2. 等待子进程结束：父进程等待子进程执行完毕

  3. 等待资源可用：如等待锁、信号量等同步机制

  4. 等待时间条件：如sleep()函数调用

二、进程等待的必要性

  • 当子进程退出时，若父进程未读取其退出信息，子进程将转为僵尸状态，导致内存泄漏。
  • 僵尸进程无法通过kill -9命令清除，因为已终止的进程无法被再次终止。
  • 父进程作为子进程的直接管理者，需要了解其派发任务的完成情况。
  • 通过进程等待机制，父进程不仅能回收子进程资源，还能获取其退出状态信息。

三、进程等待方法

1、wait方法

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>pid_t wait(int* status);

  • 作用：等待任意一个子进程终止或进入停止状态。

  • 特点：如果没有已终止的子进程，父进程会阻塞（除非设置 WNOHANG 选项）。

  • 返回值：成功时返回被等待进程的PID，失败时返回-1。

  • 参数说明：status：输出型参数，用于获取子进程退出状态。若不关心可设置为NULL。

例如，父进程创建子进程后，可以通过调用wait函数来等待子进程结束，并获取其退出状态信息：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//childint count = 10;while(count--){printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}exit(0);}//fatherint status = 0;pid_t ret = wait(&status);if(ret > 0){//wait successprintf("wait child success...\n");if(WIFEXITED(status)){//exit normalprintf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));}}sleep(3);return 0;
}
  • WIFEXITED(status)：检查进程是否正常退出（本质是判断是否收到信号），若正常退出，退出信号为0；不正常退出的话，退出信号则为非0
  • WEXITSTATUS(status)：获取进程的退出码 

我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep demo | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

        这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了：

2、waitpid方法

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

  • 作用：等待指定的子进程（或一组子进程）终止或状态变化。

  • 特点：可以精确控制等待哪个子进程，支持非阻塞模式。

返回值

  • 当waitpid正常执行时，它会返回被收集子进程的进程ID；
  • 若设置了WNOHANG选项且未发现已退出的子进程，则返回0；
  • 若调用过程中发生错误，则返回-1并设置相应errno值以指示错误类型。

参数说明

通过 pid 参数指定目标进程，options 提供额外控制（如 WNOHANG）。

  1. pid

    • =-1：等待任意子进程（等效于wait）
    • >0：等待其进程ID与pid相等的子进程。

  2. status（输出型参数）

    • WIFEXITED(status)：若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）
    • WEXITSTATUS(status)：若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）

  3. options

    • 0：默认阻塞等待
    • WNOHANG：若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。

        例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();if (id == 0){//child          int count = 10;while (count--){printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}exit(0);}//father           int status = 0;pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);if (ret >= 0){//wait success                    printf("wait child success...\n");if (WIFEXITED(status)){//exit normal                                 printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));}else{//signal killed                              printf("killed by siganl %d\n", status & 0x7F);}}sleep(3);return 0;
}
  • WIFEXITED(status)：检查进程是否正常退出（本质是判断是否收到信号），若正常退出，退出信号为0；不正常退出的话，退出信号则为非0
  • WEXITSTATUS(status)：获取进程的退出码 

运行结果： 

        在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功：

注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

3、注意事项

当调用 wait/waitpid 时：

  • 若子进程已退出，函数会立即返回，并释放相关资源，同时获取子进程的退出信息
  • 若子进程仍在正常运行，调用可能会阻塞
  • 若指定的子进程不存在，函数将立即返回错误

4、核心区别

特性waitwaitpid
目标进程任意一个子进程指定 PID 的子进程（或进程组）
阻塞行为默认阻塞可通过 WNOHANG 非阻塞轮询
进程选择灵活性无选择，任意子进程支持多种 PID 选项（见下文）
使用场景简单等待所有子进程精确控制等待的进程或非阻塞检查

5、waitpid 的 PID 参数选项

waitpid 通过 pid 参数指定目标进程：

  • pid > 0：等待指定的子进程（PID = pid）。

  • pid = -1：等待任意子进程（等效于 wait）。

  • pid = 0：等待与父进程同进程组的任意子进程。

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

6、waitpid 的 options 选项

  • WNOHANG：非阻塞模式，如果没有子进程退出，立即返回 0。

  • WUNTRACED：返回已停止（但未终止）的子进程状态（如被 SIGSTOP 暂停）。

  • WCONTINUED（某些系统）：返回已恢复运行的子进程状态（如收到 SIGCONT）。

7、联系

  • wait 是 waitpid 的特例：
    wait(&status) 等价于 waitpid(-1, &status, 0)。

  • 共享底层机制：两者均通过检查子进程的退出状态（status）来获取信息，使用宏如 WIFEXITED、WEXITSTATUS 解析状态。

四、获取子进程状态

        进程等待使用的两个函数——wait和waitpid，都有一个输出型参数status，该参数由操作系统负责填充。当传入NULL值时，表示父进程不关心子进程的退出状态；否则，操作系统将通过该参数向父进程反馈子进程的退出信息。

        虽然status是一个整型变量，但不能简单地将其视为普通整数。它的不同比特位承载着不同的信息（本说明仅分析status的低16位）：

        status的低16位中，高8位存储进程的退出状态(退出码)。若进程因信号终止，低7位记录终止信号，第8位则作为core dump标志位。

Core Dump（了解即可）

  • 在Linux中，core dump标志位（通常指进程的ulimit -c设置或文件系统路径中的/proc/sys/kernel/core_pattern配置）用于控制系统在程序崩溃时是否生成core dump文件，以及如何生成。
  • Core Dump（核心转储）文件 是当 Linux 程序异常崩溃（如段错误、非法指令、被 kill -6 终止等）时，操作系统自动生成的一个内存快照文件。它记录了程序崩溃时的内存状态、寄存器值、堆栈信息等关键数据，主要用于调试和分析程序崩溃原因。

通过位操作可以轻松地从status变量中提取进程的退出码和退出信号：

exitCode = (status >> 8) & 0xFF;  // 获取退出码
exitSignal = status & 0x7F;       // 获取退出信号

系统提供了两个便捷的宏来处理这些信息：

  • WIFEXITED(status)：检查进程是否正常退出（本质是判断是否收到信号），若正常退出，退出信号为0；不正常退出的话，退出信号则为非0
  • WEXITSTATUS(status)：获取进程的退出码

使用示例：

exitNormal = WIFEXITED(status);  // 判断是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  // 获取实际退出码

需要注意的是，当进程异常退出（被信号终止）时，其退出码将失去实际意义。

五、阻塞与非阻塞等待

1、进程的阻塞等待方式

        上述示例展示了父进程创建并等待单个子进程的情况。实际上，我们还可以同时创建多个子进程，让父进程依次等待它们退出，这就是多进程创建与等待的编程模式。

        比如，在以下代码中，我们一次性创建了10个子进程，并将它们的进程ID存入ids数组。每个子进程的退出码被设置为它在数组中的下标位置。随后，父进程使用waitpid函数逐个等待这10个子进程结束。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t ids[10];for (int i = 0; i < 10; i++){pid_t id = fork();if (id == 0){//childprintf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());sleep(3);exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标}//fatherids[i] = id;}for (int i = 0; i < 10; i++){int status = 0;pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);if (ret >= 0){//wait child successprintf("wiat child success..PID:%d\n", ids[i]);if (WIFEXITED(status)){//exit normalprintf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));}else{//signal killedprintf("killed by signal %d\n", status & 0x7F);}}}return 0;
}

运行结果：

        运行代码，这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。

2、进程非阻塞等待实现

        在之前的例子中，当子进程尚未退出时，父进程会持续等待，在此期间父进程无法执行其他任务，这种等待方式称为阻塞等待。

        实际上，我们可以采用非阻塞等待的方式：在子进程未退出时，父进程可以继续处理其他事务，待子进程退出后再获取其状态信息。

        实现方法很简单：只需在调用waitpid函数时，将第三个参数options设为WNOHANG。这样设置后，若子进程仍在运行，waitpid会立即返回0；若子进程已正常结束，则返回该子进程的PID。

        例如，父进程可以定期调用waitpid进行检查。若子进程尚未退出，父进程可先处理其他任务，稍后再尝试获取子进程的退出状态信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>typedef void (*handler_t)();  // 函数指针类型定义
std::vector<handler_t> handlers;  // 任务处理函数容器void task_one() {printf("执行临时任务1\n");
}void task_two() {printf("执行临时任务2\n");
}void load_tasks() {handlers.push_back(task_one);handlers.push_back(task_two);
}void execute_tasks() {if (handlers.empty()) load_tasks();for (auto task : handlers) {task();}
}int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {printf("%s: 进程创建失败\n", __FUNCTION__);return 1;} else if (pid == 0) {  // 子进程printf("子进程运行中，PID: %d\n", getpid());sleep(5);exit(1);} else {  // 父进程int status = 0;pid_t ret = 0;do {ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);  // 非阻塞等待if (ret == 0) {printf("子进程仍在运行\n");}execute_tasks();} while (ret == 0);if (WIFEXITED(status) && ret == pid) {printf("成功等待子进程5秒，返回码: %d\n", WEXITSTATUS(status));} else {printf("等待子进程失败\n");return 1;}}return 0;
}

该代码要使用到g++编译器，首先我们要安装g++：

sudo yum install gcc-c++

auto 是 C++11 引入的特性，如果编译器较旧，需添加 -std=c++11：

g++ demo1.cpp -o demo1 -std=c++11

运行结果：

        父进程定时轮询检查子进程的退出状态。若子进程仍在运行，父进程会先处理其他任务，稍后再继续轮询检查，直至子进程退出后获取其终止信息。

http://www.dtcms.com/a/284962.html

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