（16）Linux 进程等待 && wait/waitpid 的 status 参数

2024-01-03 19:02:16

前言：我们开始讲解进程等待，简单地讲解 wait 函数，然后我们主要讲解?waitpid 函数。由于 wait 只有一个参数 status，且 waitpid 有三个参数且其中一个也是 status，我们本章重点讲解这个 status 参数。

一、进程等待（Process wait）

1、进程等待的必要性

为什么要进行进程等待？不知道大家是否还记得我们在之前的章节讲过的 "僵尸进程" 的概念。

僵尸状态：当一个? $\textrm{Linux}$ 中的进程退出的时候，一般不会直接进入? $X$ ?状态（死亡，资源可以立马被回收），而是进入? $Z$ ?状态。?

子进程退出如果父进程不管不顾，就可能造成僵尸进程的问题，一直占内存进而引发内存泄露。?

所以我们必须让其从? $Z$ ?状态变为? $X$ ?状态：?

进而允许操作系统能去释放它（将代码和数据 free 掉，将相关数据结构归还给 slab 分派器）。

?上面我们讲的实际上就是我们需要进程等待的一个原因 —— 解决内存泄露问题。

然而不仅仅这一个原因，我们还需要进程等待来获取子进程的退出状态。

我们需要知道父进程派给子进程的任务完成的如何。

比如子进程运行完成，结果对还是不对，是否正常退出？

通过进程等待的方式，回收子进程资源，获得子进程退出信息。

获取子进程的退出状态是否需要将曾经子进程的退出信息保存起来，然后被恢复、读取呢？?

这和我们刚才讲的进程退出有着大大的关系！我们知道了进程退出是有退出码的。

我们需要让子进程退出时它的?return?结果或者?exit?的结果是需要被父进程读到的。

?总结：需要进程等待的原因：① 解决内存泄露问题? ? ?② 获取子进程的退出状态

2、wait 函数

函数原型是
 
#include <sys/types.h>
 
#include <wait.h>
 
int wait(int *status)

函数功能是：父进程一旦调用了wait就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。?

我们看到，wait?有一个叫 status?的参数

我们下面验证一下这个函数是否可以 $Z\rightarrow X$ ，我们会把 status?暂且设置为空。

验证：?

简单来说，就是让父子进程都跑起来，并各自打印消息，子进程一直死循环运行，父进程将自己休眠 20 秒，在这 20 秒之内我们手动把处于死循环的子进程给 kill?掉，此时子进程会处于? $Z$ ?状态，此时父进程还在休眠不会立即调用 wait（这么做是为了便于观察）。

当 20 秒过后，父进程苏醒后执行了 wait?函数，用一个变量 ret?去接收 wait?的返回值，通过返回值来确定是否等待成功。如果等待成功了就会成功? $Z\rightarrow X$ 。?

为了观察进程状态，我们写一段监控脚本，做到每隔一秒就监控一下我们的 mytest?进程。

监控脚本：

$ while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep mytest | grep -v grep; echo "-----------------------------------------------------------------------"; sleep 1; done

运行后我们只需要死死盯着 $\textrm{STAT}$ ，观察状态的变化即可！

开三个窗口，分别用于运行监控脚本、运行 mytest?和 kill?子进程：

至此，我们成功验证了父进程等待了子进程。

通过 wait()?的方案，我们可以解决回收子进程的? $Z$ ?状态，让子进程进入? $X$ ?状态。

3、cwaitpid 函数初识

刚才讲的 wait?并不是主角，因为其功能比较简单，在进程等待时用的更多的是?waitpid

waitpid?可以把?wait?完全包含，wait?是?waitpid?的一个子功能。

waitpid：等待任意一个退出的子进程。

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

从本质上讲，系统调用waitpid和wait的作用是完全相同的，但waitpid多出了两个可由用户控制的参数pid和options，从而为我们编程提供了另一种更灵活的方式。下面我们就来详细介绍一下这两个参数：?

对于返回值 pid_t：

如果 pid_t > 0：等待子进程成功，返回值就是子进程的 pid；
如果 pid_t < 0：等待失败。

对于参数 pid：

设置参数 pid > 0：是几，就代表等待哪一个子进程，比如 pid=1234，指定等待。
设置参数 pid =?-1：待任意进程。

options：

options提供了一些额外的选项来控制waitpid，目前在Linux中只支持WNOHANG和WUNTRACED两个选项，这是两个常数，可以用"|"运算符把它们连接起来使用，比如：

ret = waitpid(-1,  NULL,  WNOHANG | WUNTRACED);

如果我们不想使用它们，也可以把options设为0，如：

     ret = waitpid(-1,  NULL,  0);

对于参数 status：

该参数是一个输出型参数，通过调用该函数，从函数内部拿出特定的数据。

?值得强调的是，wait/waitpid?是系统调用！

说明：父进程等待子进程，子进程也会执行自己的代码。当子进程执行了 return/exit 退出后，子进程会将自己的退出码信息写入自己的进程控制块 PCB中。子进程退出了，代码可以释放，子进程退出后变成 Z 状态，其本质上就是将自己的 task_struct 维护起来（代码可以释放，但是 task_struct 必须维护）。所谓的 wait/waitpid 的退出信息，实际上就是从子进程的 task_struct 中拿出来的，即从子进程的 task_struct 中拿出子进程退出的退出码

所以，我们的父进程在等待子进程死亡，等子进程一死，就直接把子进程的退出码信息拷贝过去，通过 wait/waitpid?传进来的参数后，父进程就拿到了子进程的退出结果。即?子进程会将自己的退出信息写入 task_struct??。?

子进程的 task_struct?是操作系统的内部数据结构这个 waitpid?自然就是系统调用，实际上就是调用操作系统的功能。?

总结：父进程通过调用 wait/waitpid，通过 status?参数，就可以将子进程的信息拿到手。

二、wait/waitpid 的 status 参数

1、status 参数是位图结构?

wait 和 waitpid，都有这个 status?参数，如果传递 NULL，则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。?

该参数是一个 输出型参数?（即通过调用该函数，从函数内部拿出来特定的数据）。

并且，status 参数是由操作系统填充的！是一个整数，该整数就是下面我们要详细研究的。

它虽然是一个?int?型整数，但是不能简单地将其看作整型，而是被当作一个 位图结构?看待。

不过，关于 status?我们只需要关心该整数的低 16 个比特位！

我们不必去关心它的高 16 位，因为凭借低 16 位就足以判断了。

然而，整数的低 16 位，其中又可以分为 最低八位 和 次低八位（具体细节看图）：

?2、次低八位：拿子进程退出码

重点：通过提取 status?的次低八位，就可以拿到子进程的退出码。?

验证：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
int main () 
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {
        int cnt = 5;   // 循环5次
        // child
        while (cnt--) {
            // 五秒之内运行状态
            printf("我是子进程，我正在运行... Pid: %d\n", getpid());
            sleep(1);
 
            // 五秒之后子进程终止
            
        }
 
        exit(233);   // 方便辨识，退出码我们设置为233，这是我们的预期结果
    }
    else {
        printf("我是父进程: pid: %d，我将耐心地等待子进程！\n", getpid());
        
        // ***** 使用waitpid进行进程等待
        int status = 0;  // 接收 waitpid 的 status 参数
 
        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
        if (ret > 0) {   // 等待成功
            printf (
                "等待成功，ret: %d, 我所等待的子进程退出码: %d\n", 
                ret,
                (status>>8)&0xFF
            );
        }
 
    }
}

我们说了，status?并不是整体使用的，而是区域性使用的，我们要取其次低八位。我们可以用 位操作?来完成，将 status?右移八位再按位与上 $\textrm{0xFF}$ ，即 (status>>8)&0xFF?，就可以提取到 status?的次低八位了。

3、最低七位：提取子进程的退出信号

?重点：通过提取 status?的最低七位，就可以拿到子进程的退出信号。

我们的 status?的低八位用于表示处理异常的地方，其中有 1 位是 core dump，我们下面讲。

除去 core dump，剩余七位用于进程中的退出信号，这就是 最低七位。

进程退出，如果异常退出，是因为这个进程收到了特定的信号。

我们虽然还没有开始讲解信号，但是我们前几张就介绍了?kill -9?这样的杀进程操作。

这个 -9?我们当时说了，就是一个信号，发送该信号也确实可以终止进程。

刚才我们讲的 wait/waitpid?和次低八位的时侯，都是关于进程的?正常退出。

如果进程 异常退出 呢？我们来模拟一下进程的异常退出。

代码演示：

结果：

因为子进程是个死循环，父进程又调了?waitpid，导致父进程一直在 "阻塞式" 地等待子进程。

父进程在等待子进程期间什么都没有干，就搬了张板凳坐在那等子进程死。

信号是可以杀掉进程的，我们现在主动输入 kill -9：

此时我们就成功拿到了子进程的退出信号，9?是因为我们输入的信号就是 9。

此时父进程看到子进程寄了，终于可以不用等了，可以给子进程收尸了（ $Z\rightarrow X$ ）

还是那句话，代码跑完结果是什么已经不重要了，我们最关心的是因为什么原因退出的。

当进程收到信号时，就代表进程异常了。进程程出，如果是异常退出，是因为该进程收到了特定的信号。其实除了 9?号信号还有很多信号，输入 kill -l?就可以查看这些；

总结：退出信号代表进程是否异常，退出码代表进程在退出之时代码对还是不对。

4、进程退出的宏

我们今天写的代码，是通过位操作去截 status?得到退出码和退出信号的。

实际上，你也可以不用位操作，因为? $\textrm{Linux}$ 已经给我们提供了一些宏供我们直接调用。

它们是 WEXITSTATUS?和 WIFEXITED，在这之前，我们再思考一个问题：

思考：一个进程退出时，可以拿到退出码和推出信号，我们先看谁？

一旦程序发现异常，我们只关心退出信号，退出码没有任何意义。

所以，我们先关注退出信号，如果有异常了我们再去关注退出码。

WEXITSTATUS 宏用于查看进程的退出码，若非 0，提取子进程退出码。

WEXITSTATUS(status)

WIFEXITED?宏用于查看进程是否正常退出，如果是正常终止的子进程返回状态，则为真。

WIFEXITED(status)

?代码演示：运用 WEXITSTATUS?和 WIFEXITED?宏

结果为：

当然了，如果你压根就不关注推出信息和退出码，你直接把 status?设置为 NULL?就行。

感谢观看！！！！

文章来源:https://blog.csdn.net/ayf9999/article/details/135367021
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