《Linux从练气到飞升》No.19 进程等待

迷茫的启明星2023-09-01 16:48

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前言

在操作系统中，进程等待是一种关键的机制，用于实现进程之间的同步和协作。通过等待子进程的结束并获取其退出状态，父进程可以控制程序的执行顺序和处理子进程的结果。本篇博客将介绍进程等待的原理和用法，帮助读者深入理解进程间通信的重要概念和技术。

进程等待必要性

  • 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，"杀人不眨眼"的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的如何，我们需要知道。如果，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。
  • 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

模拟僵尸进程

在我们讲述进程状态的时候，我们讲述过僵尸进程指的是：子进程退出，父进程不管不顾

模拟代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int code = 0;

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(1); //标识进程运行完毕，结果不正确
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, 我是子进程, pid: %d, ppid : %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;

        }

    }
    else
    {
        //父进程
        printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(7);
    }
}

运行结果：

查看状态的bash命令：

bash 复制代码 
while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep mycode | grep -v grep; sleep 1; echo "-----------------------"; done

查看状态：

模拟成功！

进程等待的方法

子进程被创建出来，谁先运行，是有调度器说了算的。

那么谁先退出呢? 一般而言，我们通常要让子进程先退出。

为甚?

因为父进程可以很容易对子进程进行管理(垃圾回收)、处理业务，需要让父进程帮我们拿到子进程执行的结果。

一般子进程是需要被等待的，被父进程等，wait/waitpid.

wait方法

是什么?

是父进程通过wait等系统调用，用来等待子进程状态的一种现象，是必须的

为什么?

1.防止子进程发生僵尸问题，进而产生内存泄漏

2.读取子进程状态

怎么办?

wait/waitpid, status (signal， exit code).

cpp 复制代码 
#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

参数:

输出型参数:将wait函数内部计算的结果通过status返回给调用者
输入型参数:调用者给被调用函数的传参

输入输出型参数编码的时候，小小的代码规范

输入型:给引用
输入输出，输出型参: 给指针

测试代码

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("fork error\n");
    }
    else if (pid == 0)
    {
        int count = 0;
        while (1)
        {
            sleep(1);
            printf("i am child\n");
            if (count == 3)
            {
                break;
            }
            count++;
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        int count = 0;
        while (1)
        {
            sleep(1);
            printf("i am father\n");
            while (count == 5)
            {
                wait(NULL);
            }
            count++;
        }
        exit(0);
    }
    return 0;
}

运行结果

waitpid方法

pid_ t waitpid(pid_ _t pid， int *status， int options) ;
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 :同wait
options :
0 :阻塞模式
WNOHANG :非阻塞 模式
非阻塞模式需要搭配循环使用

cpp 复制代码 
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。
  • 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。

测试代码

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("fork error!\n");
    }
    else if (pid == 0)
    {
        //child
        int count = 0;
        while (count < 5)
        {
            printf("child is running, pid=%d\n", getpid());
            sleep(1);
            count++;
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        //father
        printf("father wait before!\n");
        pid_t ret = waitpid(pid, NULL, 0);
        if (ret > 0)
        {
            printf("wait success!\n");
        }
        else
        {
            printf("wait failed\n");
        }
        printf("father wait after!\n");
    }
    return 0;
}

运行结果

看下面结果图发现当父进程调用了waitpid函数时父进程就被阻塞了，阻塞期间当子进程运行完毕父进程才执行完毕，所以只有子进程退出了父进程才会退出，那么子进程就一定不是僵尸进程。

获取子进程status

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

status:是一个整形指针，其实在传参的时候，该参数是一个输出型参数!

int st=0;

waitpid(pid, &st, 0); //开始等待，子进程退出，操作系统就会从进程PCB中读取退出信息，保存在status指向的变量中

返回之后，st中就保存的是我们进程退出的信息，int 是32bit，是否正常运行，退出码

是多少，退出信号是多少。

  • wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
  • 如果传递NULL，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。
  • status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：
    • 次低8位表示子进程退出码
    • 最低7个比特位表示进程收到的信号
cpp 复制代码 
//测试代码：
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main( void )
{
    pid_t pid;
    if ( (pid=fork()) == -1 )
    perror("fork"),exit(1);
    if ( pid == 0 ){
    sleep(20);
    exit(10);
    } else {
    int st;
    int ret = wait(&st);
    if ( ret > 0 && ( st & 0X7F ) == 0 ){ // 正常退出
        printf("child exit code:%d\n", (st>>8)&0XFF);
    } else if( ret > 0 ) { // 异常退出
        printf("sig code : %d\n", st&0X7F );
    }
    }    
}

测试exit code,exit signal

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("fork error!\n");
    }
    else if (pid == 0)
    {
        //child
        int count = 0;
        while (count < 5)
        {
            printf("child is running, pid=%d\n", getpid());
            sleep(1);
            count++;
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        //father
        printf("father wait before\n");
        int st = 0;
        pid_t ret = waitpid(pid, &st, 0);
        if (ret > 0)
        {
            printf("wait success!\n");
            printf("st=%d\n", st);
            printf("child exit signal=%d\n", st & 0x7f);
            printf("child exit code=%d\n", (st >> 8) & 0xff);
        }
        if (st & 0x7F)
        {
            printf("child run error!\n");
        }
        else
        {
            int code = (st >> 8) & 0xff;
            if (code)
            {
                printf("child run success, but result is not right: code=%d\n", code);
            }
            else
            {
                printf("child run success, and result is right: code=%d\n", code);
            }
        }
    }
    printf("wait after!\n");
    return 0;
}

1.父进程通过wait/waitpid可以拿到子进程的退出结果，为什么要用wait/waitpid函数呢?直接全局变量不行吗？

进程具有独立性，那么数据就要发生写时拷贝，父进程无法拿到，况且，信号呢? ?

  1. 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? ?父进程又凭什么拿到呢? ?wait/waitpid究竟干了什么呢?

首先要知道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 本质其实是读取子进程的task_struct结构 ，

task_struct 里面包含了： 【int exit_ code, exit_ signal;】

3.wait/waitpid有这个权利吗?

有，可以系统调用！ ，不就是操作系统吗! ! task_ struct 是内核数据结构对象! !

阻塞与非阻塞

  • 阻塞等待是指一个任务在等待某个操作完成时，会被挂起，暂停执行直到操作完成后再继续执行。在阻塞等待期间，该任务无法进行其他的工作。
  • 非阻塞等待是指一个任务在等待某个操作完成时，会使用轮询或回调的方式不断查询操作状态，可以继续执行其他任务。非阻塞等待不会让一个任务暂停执行，即使操作未完成。
  • 两者的区别在于任务在等待某个操作完成时的行为表现：
    • 阻塞等待会暂停任务的执行，直到操作完成。
    • 非阻塞等待允许任务继续执行，并对操作状态进行查询或设置回调函数。
  • 具体区别如下：
    • 阻塞等待会造成任务阻塞，无法进行其他操作，而非阻塞等待允许任务继续执行其他操作。
    • 阻塞等待的操作结果通常是通过阻塞等待的方式获取，而非阻塞等待需要主动轮询或回调来获取操作结果。
    • 阻塞等待的效率较低，因为任务可能需要等待较长时间才能继续执行，而非阻塞等待可以提高任务的响应速度和并发性。
    • 阻塞等待通常使用在同步模式下，保证任务的执行顺序；非阻塞等待则常用于异步模式下，充分利用系统资源。

进程的阻塞等待方式

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid < 0){
printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
return 1;
} else if( pid == 0 ){ //child
printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
sleep(5);
exit(257);
} else{
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5S
printf("this is test for wait\n");
if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){
printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
}else{
printf("wait child failed, return.\n");
return 1;
}
}
return 0;
}

进程的非阻塞等待方式

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid < 0){
printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
return 1;
}else if( pid == 0 ){ //child
printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
sleep(5);
exit(1);
} else{
int status = 0;
pid_t ret = 0;
do
{
ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待
if( ret == 0 ){
printf("child is running\n");
}
sleep(1);
}while(ret == 0);
if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){
printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
}else{
printf("wait child failed, return.\n");
return 1;
}
}
return 0;
}

后记

本篇讲述了进程等待的相关知识。

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