Linux进程等待(下)
1、waitpid方法
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
返回值：
当正常返回时，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waitpid时，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，等待任何一个子进程，同wait；
pid>0，等待其进程ID与pid相等的子进程；
因为父进程返回的是子进程的pid，所以父进程就可以等待指定的子进程，等待本质是管理的一种方式；
status，
输出型参数，我们传了一个整数地址进去，最终通过指针解引用把期望的数据拿出来。与之对应的是实参传递给形参是输入型参数；
WIFEXITED(status)，查看进程是否正常退出，是则真，不是则假；
WEXITSTATUS(status)，查看进程退出码，需要WIFEXITED(status)返回true，WIFEXITED(status)正常退出则返回true；
WTERMSIG(status)，返回导致子进程终止的信号的编号，需要WIFSIGNALED(status)返回true，WIFSIGNALED(status)子进程被信号终止返回true；
options，
WNOHANG，若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，本次不予以等待，需要我们再次等待；若非正常结束，则返回该子进程的ID；或者小于0，失败了。
0，阻塞式等待，同wait————子进程没退出、回收，父进程等待；
status ❓
- 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 不能简单的当作整型来看待，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)。
阻塞和非阻塞 ❓
这个概念我们是第一次接触，也不会深入，后面再学习文件和网络时会经常接触。如果 waitpid 中的 options 传 WNOHANG ，那么等待方式就是非阻塞；如果传 0，那么等待方式就是阻塞。
比如你的学习很差，所以打电话给楼上学习好的同学张三，说：张三，你下来，我请你吃个饭，然后你帮我复习一下。张三说：行，没问题，但是我在写代码，半个小时之后再来。一般一个班，学习好的人总是少数，所以你怕你电话一挂，有人又跟张三打电话求助，导致你不能及时复习，所以你又跟张三说：张三，你电话不要挂，你把电话放你旁边，我喜欢看你写代码的样子。然后你什么事都不做，就在那等待，直到张三下来。当然现实中很少有这种情况，但是这样的场景是存在的，一般是比较紧急的情况，比如你爸打电话让你做件事且告诉你不要挂电话。此时张三不下来，电话就不挂就类似于调用函数，这种等待方式就叫做阻塞等待。我们目前所调用的函数，全部是阻塞函数，不管是你自己写的、库里的、系统的，阻塞函数最典型的特征是调用 ➡ 执行 ➡返回 ➡ 结束，其中调用方始终在等待，什么事情都没做。
又比如，你跟张三说：明天要考试了，一会我们去吃个饭，然后去自习室，你帮我复习下。张三说：没问题，但是我在写代码，你得等我下。你说：行吧，我在食堂等你。然后挂电话。过了两分钟，你给张三打电话说：张三，你来了没。张三说：我还得一会，你再等下。你说：行吧。然后挂电话。又过了两分钟，你又给张三打电话说：张三，你来了没 … … 。你不断重复的给张三打电话，这种场景在生活中比较多，我们经常催一个人做一件事时，他老是不动，你就不断重复给他打电话。你本质并不是给张三打电话，而是检测张三的状态，张三有没有达到我所期望的状态，每次检测张三是不一定立马就就绪的，如他有没有写完、开始下楼等。这里的检测张三的状态，只是想查看进度，所以这里打电话过程并不会把我卡住，我通过多次打电话来检测张三的进度。每次打电话挂电话的过程就叫做非阻塞等待。 我们只要看了它的状态不是就绪，就立马返回。这种基于多次的非阻塞的调用方案叫做非阻塞轮询检测方案。
为什么现实世界中大部分选择非阻塞轮询 ？？？
这种高效体现在：主要是对调用方高效，你给张三打电话，张三就要 10 分钟，那就是 10 分钟，类似于计算机，你再怎么催都没用，所以我们就不会死等，我们可以先做其它的事，反正不会让因为等待你，而让我做不了事情。
那为什么我们写的代码大部分都是阻塞调用 ？？
根本原因在于我们的代码都是单执行流，所以选择阻塞调用更简单。
为什么是 WNOHANG ？？？
在服务器资源即将被吃完时，卡住了，我们一般称服务器hang住了，进而导致宕机。所以 W 表示等待，NO 表示不要，HANG 表示卡了，所以这个宏的意思是等待时不要卡住。
如何理解父进程等子进程中的 “ 等 ” ？？？
所谓的等并不是把父进程放在 CPU 上，让父进程在 CPU 上边跑边等。本来父子进程都在运行队列中等待 CPU 运行，当子进程开始被 CPU 运行后，就把父进程由 R 状态更改为 !R 状态，并放入等待队列中，此时父进程就不运行了，它就在等待队列中等待。当子进程运行结束后，操作系统就会把父进程放入运行队列，并将状态更改为 R 状态，让 CPU 运行，这个过程叫做唤醒等待的过程。
操作系统是怎么知道子进程退出时就应该唤醒对应的父进程呢 ？？
wait 和 waitpid 是系统函数，是由操作系统提供的，你是因为调用了操作系统的代码导致你被等待了，操作系统当然知道子进程退出时该唤醒谁。
这里，我们只要能理解等待就是将当前进程放入等待队列中，将状态设置为 !R 状态。所以一般我们在平时使用计算机时，肉眼所发现的一些现象，如某些软件卡住了，根本原因是要么进程太多了，导致进程没有被 CPU 调度；要么就是进程被放到了等待队列中，长时间不会被 CPU 调度。我们曾经在写 VS 下写过一些错误代码，一旦运行，就会导致 VS 一段时间没有反应。所谓的没有反应就是因为程序导致系统出现问题，操作系统在处理问题区间，把 VS 进程设置成 !R 状态，操作系统处理完，再把 VS 唤醒。
验证子进程僵尸后，退出结果会保存在 PCB 中 ？？？
可以看到在 Linux 2.6.32 源码中，task_struct 里包含了退出码和退出信息。
✔ 测试用例一：
同 wait 测试用例二。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 5;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
sleep(1);
}
printf("child quit...\n");
exit(0);
}
//father
sleep(8);
pid_t ret = waitpid(id, NULL, 0);//同waitpid(-1, NULL, 0)
printf("father wait done, ret: %d\n", ret);
sleep(3);
return 0;
}
💨运行结果：
✔ 测试用例二：
父进程 fork 派生一个子进程干活，父进程通过 status 可以知道子进程把活做的怎么样。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 5;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
sleep(1);
}
printf("child quit...\n");
exit(123);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);
int code = (status >> 8) & 0xFF;
printf("%d\n", status);
printf("father wait done, ret: %d, exit code: %d\n", ret, code);
if(code == 0)
{
printf("做好了\n");
}
else
{
printf("没做好\n");
}
return 0;
}
💨运行结果：
(31488)~10~ = (0111 1011 0000 0000)~2~ ;
0111 1011 0000 0000 >> 8 = 0111 1011;
(0111 1011)~2~ = (123)~10~ ;
子进程已经退出了，子进程的退出码放在哪 ❓
换句话说，父进程通过 waitpid 要拿子进程的退出码应该从哪里去取呢，明明子进程已经退出了。子进程是结束了，但是子进程的状态是僵尸，也就是说子进程的相关数据结构并没有被完全释放。当子进程退出时，进程的 task_struct 里会被填入当前子进程退出时的退出码，所以 waitpid 拿到的 status 值是通过 task_struct 拿到的。
✔ 测试用例三：
针对测试用例二，父进程无非就是想知道子进程的工作完成的结果，那全局变量是否可以作为子进程退出码的设置，以此告知父进程子进程的退出码。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int code = 0;
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 5;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
sleep(1);
}
printf("child quit...\n");
code = 123;
exit(0);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);
printf("father wait done, ret: %d, exit code: %d\n", ret, code);
if(code == 0)
{
printf("做好了\n");
}
else
{
printf("没做好\n");
}
return 0;
}
💨运行结果：
很显然，不可以。这里对于全局变量，发生了写时拷贝，在进程地址空间里我们说过父子是具有独立性的，虽然变量是同一个，但实际上子进程或父进程所写的数据，它们都是无法看到彼此的，所以不可能让父进程拿到子进程的退出结果。
✔ 测试用例四：
模拟异常终止 —— 野指针。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 5;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
sleep(1);
//err
int* p = 0x12345;
*p = 100;
}
printf("child quit...\n");
exit(123);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);
int code = (status >> 8) & 0xFF;
int sig = status & 0x7F;//0111 1111
printf("father wait done, ret: %d, exit code: %d, sig: %d\n", ret, code, sig);
return 0;
}
💨运行结果：
子进程崩溃后，立马退出，变成僵尸，并不会影响父进程，这叫做父子具有独立性，父进程等待成功(不管你是正常还是非正常退出)，随后进行回收。此时子进程的退出码是无意义的，子进程的异常终止导致父进程获得了子进程退出时的退出信号，我们发现它的信号是第 11 号信号(SIGSEGV)，它一般都是段错误。
✔ 测试用例五：
模拟异常终止 —— 使用kill -9信号亲手杀死子进程。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 50;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
sleep(1);
}
printf("child quit...\n");
exit(123);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);
int code = (status >> 8) & 0xFF;
int sig = status & 0x7F;//0111 1111
printf("father wait done, ret: %d, exit code: %d, sig: %d\n", ret, code, sig);
return 0;
}
💨运行结果：
当我们把正在运行的子进程亲手杀掉后，父进程立马做回收工作，此时退出码是什么已经不重要了，父进程拿到的信号是第 9 号信号(SIGKILL)，此时我们就知道子进程连代码都没跑完，是被别人杀掉才退出的。
✔ 测试用例五：
父进程完整的等待子进程的全过程。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 5;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
//err
//int* p = 0x12345;
//*p = 100;
sleep(1);
}
printf("child quit...\n");
exit(123);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
if(ret > 0)
{
printf("wait success!\n");
if((status & 0x7F) == 0)
{
printf("process quit normal!\n");
printf("exit code: %d\n", (status >> 8) & 0xFF);
}
else
{
printf("process quit error!\n");
printf("sig: %d\n", status & 0x7F);
}
}
return 0;
}
💨运行结果：
正常，
异常，
✔ 测试用例五：
可以看到需要对数据进行加工才可以获取退出码和退出信号，比较麻烦，我们一般也不会自己加工。其实系统有提供一些宏(函数)，可以直接使用，我们主要学习 3 个 —— WIFEXITED(status)、WEXITSTATUS(status)、WTERMSIG(status)，其相关介绍可在 waitpid 手册里查找。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 5;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
//err
//int* p = 0x12345;
//*p = 100;
sleep(1);
}
printf("child quit...\n");
exit(123);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
if(ret > 0)
{
printf("wait success!\n");
if(WIFEXITED(status))
{
printf("normal quit!\n");
printf("quit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else
{
printf("process quit error!\n");
printf("sig: %d\n", WTERMSIG(status));
}
}
return 0;
}
💨运行结果：
正常，
异常，
✔ 测试用例六：
非阻塞等待。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
int count = 3;
while(count)
{
printf("child is running: %d, ppid: %d, pid: %d\n", count--, getppid(), getpid());
//err
//int* p = 0x12345;
//*p = 100;
sleep(1);
}
printf("child quit...\n");
exit(123);
}
//father 非阻塞等待
int status = 0;
while(1)
{
pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if(ret == 0)
{
printf("wait next!\n");
printf("father do other thing!\n");
}
else if(ret > 0)
{
printf("wait success, ret: %d, pid: %d\n", ret, WEXITSTATUS(status));
break;
}
else
{
printf("wait failed!\n");
break;
}
}
//father 阻塞等待
//int status = 0;
//pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
//if(ret > 0)
//{
// printf("wait success!\n");
// if(WIFEXITED(status))
// {
// printf("normal quit!\n");
// printf("quit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
// }
// else
// {
// printf("process quit error!\n");
// printf("sig: %d\n", WTERMSIG(status));
// }
//}
return 0;
}
💨运行结果：
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