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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
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：
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。
- 返回
wait() 的作用
- 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）。
- 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。
- 子进程终止后，其资源仍然保留在系统中，直到父进程调用
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 IDcout << "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：
- 等待特定的子进程。
- 非阻塞等待子进程。
- 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：
-
退出码：
(status >> 8) & 0xff- 获取高 8 位的退出码。
-
信号码：
status & 0x7f- 获取低 7 位的信号码.
示例1：进程正常退出的退出码。
示例2：提取被9号信号杀死的进程信号码
id:1667 // 父进程输出，子进程的 PID 是 1667 id:0 // 子进程输出，表明当前是子进程 ret:1667 // 父进程成功等待到子进程结束，返回子进程 PID wait success // 父进程确认子进程终止 status :9 // 父进程获取子进程状态值为 9 退出码0 信号码9 // 父进程解析状态值：// - 退出码 0：子进程未通过 exit() 返回退出码// - 信号码 9：子进程被 SIGKILL 信号终止库中提供的宏替换
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)：- 获取退出码的宏，等价于
(status >> 8) & 0xff。 - 必须确保
WIFEXITED(status)为真后使用。
- 获取退出码的宏，等价于
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。
- 如果没有子进程终止，
- 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：
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：
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：
