【Linux】进程等待
一、进程等待的必要性与核心概念
1.1 为什么需要进程等待？
之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成"僵尸进程"的问题，进而造成内存泄漏。
另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
最后，父进程派给子进程的任务完成得如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出（看父进程是否关心）。
1.2 进程等待的解决方案
基于上述必要性，系统提供了特定的系统调用来供父进程回收子进程，获取子进程退出信息。其中最核心的两个函数是 wait 和 waitpid。
在具体执行时，父进程通过进程等待可以达成两个主要目的：
- 回收子进程资源（最关键的硬性需求）；
- 获取子进程退出信息（可选的控制需求）。
二、进程等待的核心系统调用
2.1 进程等待函数
要使用进程等待功能，必须引入以下两个系统调用头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
系统提供了两个主要的等待接口：
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
2.2 wait 函数详解
wait 函数是较简易的等待接口，它的参数和行为非常直接：
- 参数：
int *status是一个输出型参数，用于获取子进程的退出状态（不关心则可传入NULL）。注意，NULL本身是一个宏，它的值是 0，传进去就等于告诉内核"我不关心退出状态"。
- 作用：等待任意一个退出的子进程。只要有任意一个子进程退出，
wait就会立刻回收它并返回； - 返回值：
- 回收成功：返回目标僵尸进程的 pid；
- 回收失败：返回 -1。
如果父进程在调用 wait 接口时，其关注的子进程尚未退出，父进程默认会阻塞在调用处（其行为类似于 scanf 的等待输入），直到子进程退出才继续向下执行。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int Func01()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
// 子进程
int cnt = 5;
while(cnt)
{
pid_t _pid = getpid();
printf("我是一个子进程 我的PID是:%d\n", _pid);
sleep(1);
cnt--;
}
exit(0);
}
// 父进程
sleep(7);
pid_t rid = wait(NULL);
if(rid > 0)
{
printf("%d\n", rid);
}
sleep(7);
return 0;
}
int main()
{
Func01();
return 0;
}
while true; do ps -axj | head -n 1 && ps -axj | grep process | grep -v grep; sleep 1; echo "---------------------------------------"; done
2.3 waitpid 函数详解
相比 wait，waitpid 提供了更加精准和灵活的控制。
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
1. 返回值
waitpid 的返回值情况：
- 大于 0：等待结束，返回子进程 pid；
- 等于 0：调用结束，但是子进程没有退出；
- 小于 0：等待失败。
2. pid
参数 pid 用于指定父进程想要等待的目标子进程，其取值具有不同的控制情况：
- 补充说明：
pgid 就是一个父进程 fork 出来的所有子孙进程。
< -1：等待其进程组 ID 等于 pgid 的任意子进程；-1：等待任意子进程，此时的功能与wait类似；0：等待与调用进程属于同一个进程组的任意子进程；> 0：等待特定的那个子进程。
3. options
options 参数用来控制等待的方式（阻塞或非阻塞），常见的核心选项为：
0：默认行为。如果子进程未退出，父进程将在调用处保持阻塞等待；WNOHANG：若指定的子进程没有结束，则waitpid()函数不会阻塞，而是立即返回 0，允许父进程去执行其他任务（非阻塞轮询）。
2.4 阻塞等待与非阻塞等待
张三想要约李四下来喝酒。李四说他需要上楼拿点东西准备一下。
- 非阻塞等待（轮询检测）：
张三在楼下等待。他等了一会儿，打电话给李四问："你好了吗？"李四回复："快了快了。"然后挂断了电话。张三又等了半天，期间拿出手机刷了一会儿短视频，接着再次打电话过去问："好了吗？"李四回答："马上好。"然后又挂断了电话。张三如此反复，一共给李四打了五通电话。最终，李四终于下楼了。
这就是非阻塞等待。张三在等待期间可以做自己的事情（比如刷视频），每隔一段时间主动打电话确认状态，这种重复检测的过程就是非阻塞轮询。
- 阻塞等待：
今天张三又来约李四喝酒。这一次，张三给李四打电话时说道：“在你想好、收拾好并走下来之前，千万不要挂断电话，我就一直在等着你。”
这就是阻塞等待。张三挂起当前的其他活动，不执行任何其他操作，电话一直保持接通状态，直到满足条件（李四下楼）为止。
2.5 非阻塞等待的应用
那么是不是得给父进程找点事情干干？怎么干？我们用 C 的函数指针，我们来设计一个。
typedef void (*task)();
void DownloadTask()
{
printf("【父进程并行任务】正在下载网络数据...\n");
}
void LogTask()
{
printf("【父进程并行任务】正在向日志文件写入状态...\n");
}
void CheckTask()
{
printf("【父进程并行任务】正在检测系统内存占用...\n");
}
void Func02()
{
pid_t id = fork();
// 导入任务
task tasks[] = {DownloadTask, LogTask, CheckTask};
int task_cnt = sizeof(tasks) / sizeof(tasks[0]);
if(id == 0)
{
// 子进程
int cnt = 5;
while(cnt)
{
pid_t _pid = getpid();
printf("我是一个子进程 我的PID是:%d\n", _pid);
sleep(1);
cnt--;
}
exit(0);
}
else if(id > 0)
{
// 父进程
// 一直循环直到获取到退出情况
while(1)
{
// 获取退出情况后面讲
int status = 0;
// 使用 WNOHANG 参数进行非阻塞等待
// id: 要等待的子进程PID
// &status: 获取子进程退出状态的输出型参数
// WNOHANG: 若子进程未结束，函数不阻塞，立即返回0
pid_t w_id = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if(w_id == id)
{
printf("等待成功pid:%d\n", id);
// 等待成功了你也退出吧
exit(0);
}
else if(w_id == 0)
{
// 上面进程还在干自己的事，你可以去做一些别的事情
int i = 0;
for(i; i < task_cnt; i++)
{
tasks[i]();
sleep(1);
}
}
else
{
printf("等待失败\n");
}
}
}
}
三、深入理解 status 状态参数
3.0 进程的退出信息到底是怎么被父进程获取的
先问你一个问题：父进程能不能直接获取子进程的退出信息？答案是不可以，因为进程之间相互独立。谁可以获取进程的退出信息？操作系统。所以父进程要获取退出信息找谁要？找操作系统要。怎么要？waitpid / wait 系统调用。
在 Linux 内核中，子进程即使退出了，代码和数据可以释放，但是 task_struct 不能释放，task_struct 依然被保留在操作系统的进程表里。在子进程的 task_struct 内部，维护着类似以下的字段：
long exit_state;
int exit_code, exit_signal;
- 当子进程退出时，操作系统会将其退出的错误码和信号写入到它自身的
exit_code和exit_signal中； - 父进程调用
waitpid(&status)时，会通过系统调用陷入内核； - 操作系统切换到父进程的上下文，读取子进程
task_struct中的exit_code和exit_signal； - 操作系统将这两个值按照位图规则打包，写入父进程传入的 status 变量的内存空间中；
- 提取完成后，操作系统才真正地将子进程的
task_struct从内存中清理、销毁。
这也就完美解释了"为什么要存在僵尸进程"——为了等待父进程来读取这些保存在内核结构里的退出状态。
3.1 status 的位图结构
wait 和 waitpid 的 status 参数是一个整型指针。它不能简单地当作普通的整数来看待，在系统内核中，它被当作一个位图结构来处理。
1. 正常终止（Normal Termination）
当代码运行完毕，进程正常退出时（例如 main 函数返回或调用 exit()），status 的低 16 位结构如下：
- 次低 8 位（第 8 到 15 比特位）：保存子进程的退出码。8 个比特位正好对应 256 个 Shell 进程退出码；
- 低 7 位（第 0 到 6 比特位）：其值全部为 0；
- 第 7 比特位：core dump 标志位（默认为 0）。
core dump 标志位是什么？不讲，得等待信号章节才能讲。
3.2 status 代码演示
1. 正常退出
任务函数
DownloadTask/LogTask/CheckTask的定义见 2.5 节。
void Func02()
{
pid_t id = fork();
// 导入任务
task tasks[] = {DownloadTask, LogTask, CheckTask};
int task_cnt = sizeof(tasks) / sizeof(tasks[0]);
if(id == 0)
{
// 子进程
int cnt = 5;
while(cnt)
{
pid_t _pid = getpid();
printf("我是一个子进程 我的PID是:%d\n", _pid);
sleep(1);
cnt--;
}
exit(1);
}
else if(id > 0)
{
// 父进程
// 一直循环直到获取到退出情况
while(1)
{
// 获取退出情况后面讲
int status = 0;
// 使用 WNOHANG 参数进行非阻塞等待
// id: 要等待的子进程PID
// &status: 获取子进程退出状态的输出型参数
// WNOHANG: 若子进程未结束，函数不阻塞，立即返回0
pid_t w_id = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if(w_id == id)
{
printf("等待成功pid:%d\n", id);
// 等待成功了你也退出吧
// 退出前打印一下 status 的值
printf("status的值:%d\n", status);
exit(0);
}
else if(w_id == 0)
{
// 上面进程还在干自己的事，你可以去做一些别的事情
int i = 0;
for(i; i < task_cnt; i++)
{
tasks[i]();
sleep(1);
}
}
else
{
printf("等待失败\n");
}
}
}
}
打印结果是什么？256。哎？怎么是 256 呢？再仔细想一想，第八位是 1，0~7 位是 0，是不是确实是 256？是的。
2. 被信号所杀
当进程由于遭遇异常（如除 0 错误、野指针访问）而被系统生成的信号强制终止时，退出码便失去了意义：
- 低 7 位（第 0 到 6 比特位）：保存导致子进程终止的终止信号；
- 次低 8 位：未启用（无意义）；
- 第 7 比特位：core dump 标志位。
无异常检测的标准（如果进程没有发生异常）：
- 低 7 个比特位必定为 0；
- 一旦发现低 7 个比特位不为 0，则说明进程是异常退出的，此时提取出的退出码将毫无意义。
3.3 通过 status 获取退出信息与信号
1. 传统方法：位运算提取
我们可以直接通过位操作从 status 中截取对应的比特位。
void Func02()
{
pid_t id = fork();
// 导入任务
task tasks[] = {DownloadTask, LogTask, CheckTask};
int task_cnt = sizeof(tasks) / sizeof(tasks[0]);
if(id == 0)
{
// 子进程
int cnt = 5;
while(cnt)
{
pid_t _pid = getpid();
printf("我是一个子进程 我的PID是:%d\n", _pid);
sleep(1);
cnt--;
}
exit(1);
}
else if(id > 0)
{
// 父进程
// 一直循环直到获取到退出情况
while(1)
{
// 获取退出情况后面讲
int status = 0;
// 使用 WNOHANG 参数进行非阻塞等待
// id: 要等待的子进程PID
// &status: 获取子进程退出状态的输出型参数
// WNOHANG: 若子进程未结束，函数不阻塞，立即返回0
pid_t w_id = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if(w_id == id)
{
printf("等待成功pid:%d\n", id);
// 等待成功了你也退出吧
// 退出前打印一下 status 的值
printf("status的值:%d\n", status);
// 因为初始的 status 没有收到信号之前都是 0
// (status >> 8) & 0xFF: 右移 8 位并按位与 0xFF，提取次低 8 位的退出码
// status & 0x7F: 按位与 0x7F，提取最低 7 位的终止信号
// (status >> 7) & 0x1: 右移 7 位并按位与 0x1，提取第 7 位看是否 core dump
printf("是否收到异常信号：%d\n", ((status >> 7) & 1));
printf("信号是：%d\n", status & 0x7F);
printf("退出码：%d\n", (status >> 8) & 0xFF);
exit(0);
}
else if(w_id == 0)
{
// 上面进程还在干自己的事，你可以去做一些别的事情
int i = 0;
// 验证初始的 status 没有收到信号之前都是 0
// printf("status的值:%d\n", status);
for(i; i < task_cnt; i++)
{
tasks[i]();
sleep(1);
}
}
else
{
printf("等待失败\n");
}
}
}
}
2. 系统标准方法：宏函数提取
相比手动进行位运算，Linux 系统提供了标准宏函数，能更安全、直观地解析 status：
WIFEXITED(status)：若子进程正常终止，返回真（True）；WEXITSTATUS(status)：在WIFEXITED为真的前提下，用于提取子进程的退出码；WIFSIGNALED(status)：若子进程因信号异常终止，返回真（True）；WTERMSIG(status)：在WIFSIGNALED为真的前提下，用于提取终止信号。
void Func02()
{
pid_t id = fork();
// 导入任务
task tasks[] = {DownloadTask, LogTask, CheckTask};
int task_cnt = sizeof(tasks) / sizeof(tasks[0]);
if(id == 0)
{
// 子进程
int cnt = 5;
while(cnt)
{
pid_t _pid = getpid();
printf("我是一个子进程 我的PID是:%d\n", _pid);
sleep(1);
cnt--;
}
exit(1);
}
else if(id > 0)
{
// 父进程
// 一直循环直到获取到退出情况
while(1)
{
// 获取退出情况后面讲
int status = 0;
// 使用 WNOHANG 参数进行非阻塞等待
// id: 要等待的子进程PID
// &status: 获取子进程退出状态的输出型参数
// WNOHANG: 若子进程未结束，函数不阻塞，立即返回0
pid_t w_id = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if(w_id == id)
{
printf("等待成功pid:%d\n", id);
// 等待成功了你也退出吧
// 退出前打印一下 status 的值
printf("status的值:%d\n", status);
// 因为初始的 status 没有收到信号之前都是 0
// (status >> 8) & 0xFF: 右移 8 位并按位与 0xFF，提取次低 8 位的退出码
// status & 0x7F: 按位与 0x7F，提取最低 7 位的终止信号
// (status >> 7) & 0x1: 右移 7 位并按位与 0x1，提取第 7 位看是否 core dump
// printf("是否收到异常信号：%d\n", ((status >> 7) & 1));
// printf("信号是：%d\n", status & 0x7F);
// printf("退出码：%d\n", (status >> 8) & 0xFF);
printf("是否收到异常信号：%d\n", WIFSIGNALED(status));
printf("信号是：%d\n", WTERMSIG(status));
printf("退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
printf("是否正常终止:%d\n", WIFEXITED(status));
exit(0);
}
else if(w_id == 0)
{
// 上面进程还在干自己的事，你可以去做一些别的事情
int i = 0;
// 验证初始的 status 没有收到信号之前都是 0
// printf("status的值:%d\n", status);
for(i; i < task_cnt; i++)
{
tasks[i]();
sleep(1);
}
}
else
{
printf("等待失败\n");
}
}
}
}
openEuler 是由开放原子开源基金会孵化的全场景开源操作系统项目，面向数字基础设施四大核心场景（服务器、云计算、边缘计算、嵌入式），全面支持 ARM、x86、RISC-V、loongArch、PowerPC、SW-64 等多样性计算架构
更多推荐
2
0- 0
已为社区贡献4条内容
所有评论(0)