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[操作系统] 进程等待

article 2025/2/12 17:42:19

进程等待（Process Waiting）是操作系统中父进程用于管理和同步子进程的重要机制。根据你的图片内容，我们可以分几个部分来讲解进程等待的相关知识。

为什么需要进程等待？

当一个进程创建了子进程后，子进程会独立运行。如果父进程不进行等待，它可能会比子进程更早终止，导致子进程变成僵尸进程（Zombie Process），即进程已经终止但父进程没有回收它的资源，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。

我们需要知道⽗进程派给⼦进程的任务完成的如何。如，子进程是否完成，结果是否正确。

因此，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

进程等待的方式

进程等待主要有两种方式：

pid_t **wait**(int *status);** 函数**
pid_t **waitpid**(pid_t pid, int *status, int options);** 函数**

`wait` 函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);

wait 会阻塞父进程，直到任意一个子进程退出。
返回退出的子进程的 PID。
status 指向一个整数变量，用于存储子进程的退出状态。

示例代码

int status;
pid_t pid = wait(&status);

这行代码会让父进程暂停执行，直到有一个子进程结束，并将其退出状态存储到 status 变量。

`waitpid` 函数

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

waitpid 提供比 wait 更灵活的进程等待方式。
pid 参数决定了要等待哪个子进程：
- pid > 0：等待指定的子进程。
- pid == -1：等待任意子进程（等价于 wait）。
- pid == 0：等待与当前进程同组的任何子进程。
- pid < -1：等待特定进程组的子进程。
options 参数：
- 0：默认阻塞等待子进程退出。
- WNOHANG：非阻塞模式，如果没有子进程退出，则立即返回 0。
- WUNTRACED：等待子进程停止（如 Ctrl+Z）。
- WCONTINUED：等待已经继续执行的子进程（如 SIGCONT 信号）。

示例代码

int status;
pid_t pid = waitpid(-1, &status, 0);

此代码与 wait 类似，等待任意子进程结束。

如何获取子进程的退出状态？

在wait和waitpid参数中的int *status是输出型参数，当做位图来看待，通过传入变量地址然后经过函数处理后得到对应结果，传入NULL则表示不关心子进程退出状态信息，否则操作系统会通过该参数将子进程的退出信息返回给父进程。

int有四字节，32比特位， waitpid 返回的 status 值只使用了低 16 位（2 字节）来存储进程的退出状态或终止信号信息。

具体的信息存储如图所示。

正常终止：如果进程是 **exit(n)** 退出的，
- 高 8 位存储 exit(n) 返回的值 n。
- 低 7 位全 0，表示不是被信号终止的。
如果进程是被信号终止的：
- 低 7 位存储终止信号编号（如 SIGKILL=9）。
- 第 7 位（bit 7）表示是否生成 core dump。（后续讲解）
- 高 8 位无意义。

也就是说：

正常退出：status = (exit_code << 8)
信号终止：status = signal_number | (core_dump_flag << 7)

代码示例：

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main()
{
    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 );
        }
    }
}

测试结果：

# ./a.out #等20秒退出 
child exit code:10 
# ./a.out #在其他终端kill掉 
sig code : 9

信息的宏解析

子进程退出时，status 变量会存储一些信息，可以使用以下宏解析：

WIFEXITED(status)：如果子进程正常退出，返回非零值。
- WEXITSTATUS(status)：获取子进程的退出码。
WIFSIGNALED(status)：如果子进程是被信号终止的，返回非零值。
- WTERMSIG(status)：获取终止子进程的信号编号。
WIFSTOPPED(status)：如果子进程因 SIGSTOP 进入暂停状态，返回非零值。
- WSTOPSIG(status)：获取导致暂停的信号编号。

示例代码

if (WIFEXITED(status)) 
{
    printf("Child exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));
} 
else if (WIFSIGNALED(status)) 
{
    printf("Child terminated by signal %d\n", WTERMSIG(status));
}

非阻塞等待

waitpid()参数中WNOHANG 选项可用于非阻塞模式，即如果没有子进程退出，则 waitpid 立即返回 0，不会阻塞父进程。

示例代码

while (1) 
{
    int status;
    pid_t pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
    
    if (pid > 0) 
    {
        printf("Child %d exited\n", pid);
    } 
    else if (pid == 0) 
    {
        printf("No child exited yet\n");
    }
    sleep(1); // 避免 CPU 过载
}