关于Linux下的进程等待（进程篇）

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为什么存在进程等待？进程等待是在做什么？

怎样去执行进程等待？

status

options

为什么存在进程等待？进程等待是在做什么？

代码示例：模仿僵尸进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//child processint cnt = 5;while(cnt--){printf("I am child process! cnt: %d ,pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());sleep(1);}}else{//father processwhile(1){  printf("I am father process! pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}return 0;
}

运行输出：

  • 因为如果子进程退出，父进程不接收子进程的退出状态，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。
  • 进程一旦变成僵尸状态，发送信号 kill -9 也是不可以的，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
  • 其次父进程派创建子进程，是需要子进程执行相关的程序，我们需要知道。子进程执行程序，结果对还是不对，或者是否正常退出。
  • 总结就是：父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息

怎样去执行进程等待？

这里需要用到两个接口：
wait（）
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);
返回值：
成功返回被等待进程 pid ，失败返回 -1 。
参数：
输出型参数，获取子进程退出状态 , 不关心则可以设置成为 NULL
waitpid()
pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
返回值：
当正常返回的时候， waitpid 返回收集到的子进程的进程 ID ；
如果设置了选项 WNOHANG, 而调用中 waitpid 发现没有已退出的子进程可收集 , 则返回 0 ；
如果调用中出错 , 则返回 -1, 这时 errno 会被设置成相应的值以指示错误所在；
参数：
pid ：
Pid=-1, 等待任一个子进程。与 wait 等效。
Pid>0. 等待其进程 ID 与 pid 相等的子进程。
status:
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）
options:
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 。
注意：这里有些细节需要明示一下：
waitpid的返回值：
  • 返回值 > 0 表示等待子进程成功，子进程运行已结束
  • 返回值 == 0 表示等待子进程成功，子进程正在运行
  • 返回值 < 0 表示等待子进程失败
waitpid的参数 pid：
  • pid  > 0 表示等待进程ID与pid相等的子进程
  • pid  < 0  表示等待任意的子进程
示例： 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//child processint cnt = 5;while(cnt--){printf("I am child process! cnt: %d ,pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());sleep(1);}}else{//father processwhile(1){  printf("I am father process! pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(1);pid_t ret = wait(NULL); //阻塞等待if(ret > 0) printf("wait child process success!  ret :%d\n", ret);}}return 0;
}

输出：
观察发现，这里的确没有存在僵尸进程的问题了。

waitpid()

示例：

     //pid_t ret = wait(NULL);  pid_t ret = waitpid(id, NULL, 0);//阻塞等待

输出：

  • 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
  • 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
  • 如果不存在该子进程，则立即出错返回。

status

  • 输出型参数，获取子进程退出状态
代码示例：子进程退出码设置为99，查看status是否能获得到 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//child processint cnt = 5;while(cnt--){printf("I am child process! cnt: %d ,pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());sleep(1);}exit(99);}else{//father process//pid_t ret = wait(NULL);int status = 0;pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);//阻塞等待if(ret > 0) printf("waitpid child process success!  ret :%d, status:%d\n", ret, status);//  while(1)//  {  //     printf("I am father process! pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());//     sleep(7);//  }}return 0;
}
输出： 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ ./test 
I am child process! cnt: 4 ,pid: 4736, ppid: 4735
I am child process! cnt: 3 ,pid: 4736, ppid: 4735
I am child process! cnt: 2 ,pid: 4736, ppid: 4735
I am child process! cnt: 1 ,pid: 4736, ppid: 4735
I am child process! cnt: 0 ,pid: 4736, ppid: 4735
waitpid child process success!  ret :4736, status:3840
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$

为什么这里status的值是3840呢？？而不是我们设置的99呢？？？

  • 因为status并不是按照整数来整体使用的! ! !
  • 而是按照比特位的方式，将32个比特位进行划分，退出码只占了次低8位
     
具体如下：

所以进程异常退出，或者崩溃,本质上是操作系统杀掉了进程（程序运行起来就是进程，此时与语言没有任何关系，只和操作系统有关)
那么?系统是如何得知这个进程有问题，又是如何杀掉这个进程的呢?---信号  （在这里就不过多赘述）
 
既然我们已经明白了退出码是在次低8位，那通过位操作符就可以得到

"&":有0就为0，同为0就为0，同为1就为1
0xFF : 0000 0000 0000 .... .... 1111 1111

0x7F:  0000 0000 0000 .... .... 0111 1111

if(ret > 0) printf("waitpid child process success!  ret :%d, status:%d\n", ret, (status >> 8) & 0XFF);
输出： 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ vim process_wait.c 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ make
gcc -o test process_wait.c
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ ./test 
I am child process! cnt: 4 ,pid: 9576, ppid: 9575
I am child process! cnt: 3 ,pid: 9576, ppid: 9575
I am child process! cnt: 2 ,pid: 9576, ppid: 9575
I am child process! cnt: 1 ,pid: 9576, ppid: 9575
I am child process! cnt: 0 ,pid: 9576, ppid: 9575
waitpid child process success!  ret :9576, status:99

的确通过这个途径，我们可以得到退出码。当然，我们也可以通过status，得到子进程退出的信号标号：

printf("等待子进程退出成功：ret: %d\n,子进程的信号编号：%d\n 子进程的退出码：%d\n",ret, status & 0x7F, (status >> 8) & 0xFF);

输出：信号编号为0，退出成功

[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ ./test 
I am child process! cnt: 4 ,pid: 14639, ppid: 14638
I am child process! cnt: 3 ,pid: 14639, ppid: 14638
I am child process! cnt: 2 ,pid: 14639, ppid: 14638
I am child process! cnt: 1 ,pid: 14639, ppid: 14638
I am child process! cnt: 0 ,pid: 14639, ppid: 14638
等待子进程退出成功：ret: 14639
,子进程的信号编号：0子进程的退出码：99
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$

接下来可以对信号编号进行测试，看看是否准确：
测试1：
输出： 信号8：SIGFPE ：浮点数错误（溢出）     程序错误，此时退出码无意义
测试2：
输出：
不正常退出，退出码无意义。
所以，程序异常，不光光是内部代码有问题，也可能是外力直接杀掉(子进程代码跑完了吗?﹖不确定)
所以经过上述测试，其实通过status拿到子进程的退出码和退出信号是没有问题的。
但是，有没有发现一个问题，难道我每一次获取子进程的退出码和信号，还需要位运算吗？这不是太麻烦了，所以status提供了 - 宏！
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
所以一般我们会这样来获取：
代码示例： 
            //father process//pid_t ret = wait(NULL);int status = 0;pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);//阻塞等待// printf("等待子进程退出成功：ret: %d\n,子进程的信号编号：%d\n 子进程的退出码：%d\n",//          ret, status & 0x7F, (status >> 8) & 0xFF); if(ret > 0){if(WIFEXITED(status)){printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("子进程异常退出：%d\n", WIFEXITED(status));}}
输出： 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ vim process_wait.c 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ make
gcc -o test process_wait.c
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ ./test 
I am child process! cnt: 4 ,pid: 20268, ppid: 20267
I am child process! cnt: 3 ,pid: 20268, ppid: 20267
I am child process! cnt: 2 ,pid: 20268, ppid: 20267
I am child process! cnt: 1 ,pid: 20268, ppid: 20267
I am child process! cnt: 0 ,pid: 20268, ppid: 20267
子进程正常退出，退出码：99
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$

options

pid_t ret = waitpid(id，&status，0 );   //默认是在阻塞状态去等待子进程状态变化–退出
只有子进程退出的时候，父进程才会调用waitpid函数，进行返回(注意，父进程依旧在运行)
waitpid/wait可以在存在多个子进程的情况下，让子进程退出具有一定的顺序性，将来让父进程进行更多的收尾工作
 
  • options参数默认为0 ：代表阻塞等待
  • WNOHANG:非阻塞等待
WNOHANG到底是什么： 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ grep -ER 'WNOHANG' /usr/include/
/usr/include/sys/wait.h:   If the WNOHANG bit is set in OPTIONS, and that child
/usr/include/sys/wait.h:   If the WNOHANG bit is set in OPTIONS, and that child
/usr/include/bits/waitflags.h:#define	WNOHANG		1	/* Don't block waiting.  */
/usr/include/valgrind/vki/vki-linux.h:#define VKI_WNOHANG	0x00000001
/usr/include/linux/wait.h:#define WNOHANG		0x00000001
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$

其实就是宏定义：  #define  WNOHANG   1  

waitpid(id, &status, 1);  这里也可以传1，但是怕长时间忘记了1的含义，所以设置了这个宏，这里也叫做魔术数字。

所以0就是阻塞等待， 1就是非阻塞等待，只不过1被设置成了宏
那么什么是阻塞等待，什么是非阻塞等待呢？
阻塞等待：一般都是在内核中阻塞，等待被唤醒（伴随着切换）
非阻塞的等待：父进程通过调用waitpid来进行等待，如果子进程没有退出,我们waitpid这个系统调用，立马返回!
示例：
  •         进程阻塞的本质，是进程阻塞在系统函数的内部!
  • 这也就意味着后面的代码不再向后继续执行
  • 当条件满足的时候，父进程被唤醒，从哪里唤醒?
  • 是waitpid重新调用，还是从if的后面，if
  • （为什么？因为挂起父进程的时候，pc指针会存储父进程下一步命令的地址，换言之，pc指针会指向这里）
  • 再继续向后执行父进程的代码
举个例子：
我给小美打电话，说，寒假作业借我抄一下
小美说，好啊，我快写完了，你要不要来我家等一下
①我一想，还有这好事，那我就去小美家等着吧，然后挂断电话  ---》 此时就是阻塞调用
②不行，我是一个圣人君子，我不去，你写完了我再去拿，然后转头和好兄弟去了网吧
过了一会，我问小美，写完没啊，小美说没写完，我挂断电话
又过了一会，我继续问小美，写完没啊，小美说没写完，我又挂断电话
再过了一会，我还是问小美，写完没啊，小美说没写完，我再次挂断电话
而每一次打电话 ---》就是非阻塞调用
每一次打电话的过程，就是基于非阻塞调用的轮询检测方案!
我（代表用户）    --- > 打电话 （代表系统调用)  --->   小美 （代表操作系统）
那么表现在代码上是什么样子呢？？？
示例： 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//child processint cnt = 5;while(cnt--){printf("I am child process! cnt: %d ,pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());sleep(1);}exit(99);}else{//father processint quit = 0;while(!quit){int status = 0;pid_t result = waitpid(-1, &status, WNOHANG); //-1表示等待任意的子进程  WNOHANG：以非阻塞的方式等待if(result > 0){        printf("等待子进程退出成功，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status)); quit = 1;}else if(result == 0 ){printf("子进程仍在运行，暂时并未退出，父进程可以继续执行自己的相关代码\n");}else{printf("waitpid error\n");}sleep(1);printf("hello father process\n");}//pid_t ret = wait(NULL);//            int status = 0;
//            pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);//阻塞等待
//
//          //  printf("等待子进程退出成功：ret: %d\n,子进程的信号编号：%d\n 子进程的退出码：%d\n",
//          //          ret, status & 0x7F, (status >> 8) & 0xFF); 
//
//        
//            if(ret > 0)
//            {
//                if(WIFEXITED(status))
//                {
//                    printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
//                }
//                else
//                {
//                    printf("子进程异常退出：%d\n", WIFEXITED(status));
//                }
//            }
//
////  while(1)//  {  //     printf("I am father process! pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());//     sleep(7);//  }}return 0;
}

输出： 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ vim process_wait.c 
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ make
gcc -o test process_wait.c
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$ ./test 
子进程仍在运行，暂时并未退出，父进程可以继续执行自己的相关代码
I am child process! cnt: 4 ,pid: 10576, ppid: 10575
hello father process
子进程仍在运行，暂时并未退出，父进程可以继续执行自己的相关代码
I am child process! cnt: 3 ,pid: 10576, ppid: 10575
hello father process
子进程仍在运行，暂时并未退出，父进程可以继续执行自己的相关代码
I am child process! cnt: 2 ,pid: 10576, ppid: 10575
hello father process
I am child process! cnt: 1 ,pid: 10576, ppid: 10575
子进程仍在运行，暂时并未退出，父进程可以继续执行自己的相关代码
hello father process
I am child process! cnt: 0 ,pid: 10576, ppid: 10575
子进程仍在运行，暂时并未退出，父进程可以继续执行自己的相关代码
hello father process
子进程仍在运行，暂时并未退出，父进程可以继续执行自己的相关代码
hello father process
等待子进程退出成功，退出码：99
hello father process
[wxq@VM-4-9-centos code_4_10]$

最后思考一下：既然进程是具有独立性的，进程退出码，不也是子进程的数据吗?父进程为什么可以拿到呢?? wait/waitpid究竟干了什么呢? ? ?  
  • 本质其实是读取子进程的task _struct结构 （int exit_code, exit_signal;）
  • 僵尸进程:至少要保留该进程的PCB信息! task_struct里面保留了任何进程退出时的退出结果信息!!
  • wait/waitpid有这个权利吗? 当然，这两个接口是系统调用!，不就是操作系统吗 !
  • task_struct是内核数据结构对象!! -- 是操作系统来维护的

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