Linux操作系统——进程控制(二) 进程等待

1.什么是进程等待？

关于进程等待我们要回忆一下当时我们说到的进程状态中，子进程在终止的时候会出现一种状态叫僵尸状态，一旦僵尸了，那么子进程就需要等到我们的父进程或者系统对子进程进行回收，那么什么是进程等待呢？

其实是通过wait/waitpid的方式，让父进程（一般）对子进程进行资源回收的等待过程。

2.进程为什么要进行等待？

a.解决子进程僵尸问题带来的内存泄漏问题 ---这个工作在目前来看是必须要做的。

b.父进程为什么要创建子进程呢？ 要让子进程来完成任务。子进程将任务完成的如何要不要 知道？要知道----需要通过进程等待的方式，获取子进程退出信息----两个数字，一个叫信号编号，一个叫进程退出码。而这个理由不是必须的，但是系统需要提供这样的基础功能！

进程等待的必要性：

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，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

3.进程如何进行等待？

wait方法

wait方法手册

我们通过wait先验证两个问题：

下面我们用以下代码来进行演示该wait方法是如何实现进程等待的。

这段代码一开始是父进程子进程一起跑，而子进程只会跑前五秒，所以前五秒的时候子进程一定是S状态或者R状态，5秒过后子进程退出，退出之后，父进程后面sleep5秒之后子进程会变成僵尸状态，我们对应的父进程10s后会打印出上述代码那句话，打印出来之后，那么子进程的僵尸状态就消失了。

运行结果如下：

以上测试验证了如下结论：a.进程等待能回收子进程僵尸状态：Z->x。

关于wait需要验证的第二个问题：

在子进程运行期间，父进程有没有调用wait呢？在干什么呢？

下面我们用以下代码来进程验证：

运行该段代码：

监视窗口：

一开始我们的子进程和父进程都是一起运行的，而当子进程在运行这5秒期间，父进程是通过调用了wait方法进程阻塞等待的，因为这5秒期间过后才打印出来wait after,说明这段时间父进程是在等子进程变成僵尸状态，wait自动回收，最后父进程sleep10秒钟。

这也就说明了第二个问题的答案：

b.如果子进程根本没有退出，父进程必须在wait上进行阻塞等待，直到子进程僵尸，wait自动回收，返回。

一般而言，父子进程谁先运行我们是不知道的，但是一般都是父进程最后退出。因为一般来说子进程都是由父进程创建，然后最后由父进程统一回收的。

#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

waitpid方法

用了上述wait方法呢，我们大致了解了一下进程等待是如何等待的，那么下面呢我们通过man手册来看看waitpid方法的用法：

waitpid需要传3个参数，与wait不同的是，该方法可以等待指定的某个子进程。下面我们将代码改成如下图中代码：

运行结果：

监视窗口：

刚开始时子进程运行5秒，父进程休眠10秒，然后子进程退出，变成僵尸状态，父进程再休眠5秒后调用waitpid方法将子进程自动回收，子进程僵尸状态瞬间消失了，最后打印wait success,说明等待成功了。

下面我们再对waitpid的第二个参数int *? status进行进一步理解：

下面我们以如下这段代码来进行测试

运行之后：

我们发现status被改成了2560,那么为什么会是2560呢？这是怎么来的呢？

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）：
?

status是一个int的整数，32bit位，但是我们只考虑低16位，而这16位里面又分为两种情况，一种是正常终止的情况，那么高8位就是进程的退出状态，低8位是终止信号，如果正常终止那么默认是0.

如果是被信号所杀，那么退出状态就不会使用到了，因为这属于异常终止，这时只有低8位有效，其中有一位时core dump标志，我们暂且不谈，还有七位使用了表示终止信号的。

我们上面设置的退出状态是exit(10),也就是10，而10用二进制来表示是1010，放在高8位上则是

0000 1010 0000 0000，而该二进程算出来就是我们上面打印出来的status的值：2560.

下面我们对status这16位通过如下的代码来进行测验

通过位运算取到status各个位上的信息进行打印。

运行结果：

exit sig: 0 代表的信号是0，而信号中并没有0信号，说明运行是成功的：

但是退出码是1，代表结果不正确，运行正常和结果正确必须exit sig和exit code都为0.如果我们的exit sig不为0，也就是代表代码运行异常，此时exit code退出码则没有意义了。

下面我们给代码创建几个异常进行测验：

除0错误：

运行结果：

我们发现收到的信号是8号信号，对应的信号是SIGFPE，除0错误。

空指针异常：

运行结果：

我们发现变成了11号信号，对应的SIGSEGV.也就是段错误。

也就是父进程已经收到了子进程异常退出的信号。

下面我们针对刚刚的现象来提出几个问题：

1.当一个进程异常了（收到信号），exit code退出码还有意义吗？ 没有意义。

2.有没有收到信号怎么判定？ exit sig: 0

信号我们目前还不是很懂，但是我们可以通过kill -l 命令知道它是有一个数字对应一个信号的名称，这个名称是一个大写的宏，当我们查看信号列表的时候我们可以发现信号列表里是没有0号信号的，换句话说有没有收到信号就是我们的exit sig是不是0.如果是0那就是没有收到信号，如果不是0那就说明收到了信号。

3.我通过手动杀掉进程会有什么现象呢？

下面我们把子进程调用的Worker函数改成死循环通过手动杀掉这个死循环的子进程让其停下来

运行结果：

我们发现通过发送9号信号手动杀掉子进程6857让其进程终止。

那么父进程又是如何得知子进程的退出信息呢？ wait? ?waitpid?

可是我们不想从系统调用的方面去谈了，而是从操作系统的层面上来谈：

上述我们只是说了父进程等待一个子进程的案例，下面我们展示下父进程等待多个子进程的案例：

下面我们创建一个多进程的代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

//int status = 0;
void Worker(int number)
{
    int *p = NULL;
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d, number: %d\n", getpid(), getppid(), cnt--, number);
        sleep(1);

        //*p = 100;
        //int a = 10;
        //a /= 0;
    }
}
const int n = 10;


int main()
{
    for(int i = 0;i < n; i++)
    {
        pid_t id = fork();
        if(id == 0)
        {
            Worker(i);
            //status = i;
            exit(0);
        }
    }

    //等待多个子进程？
    for(int i = 0; i < n; i++)
    {
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(-1, &status, 0); // pid>0, -1:任意一个退出的子进程
        if(rid > 0){
            printf("wait child %d success, exit code: %d\n", rid, WEXITSTATUS(status));
        }
    }

    return 0;
}

运行之后：

监视窗口：

最后代码的退出结果是：

我们为什么不用全局变量获取子进程的退出信息？而用系统调用？

原因：进程具有独立性，父进程无法直接获得子进程的退出信息。

下面我们来谈waitpid的最后一个参数：int options

当options为0时：阻塞等待

WNOHANG:等待的时候,以非阻塞的方式等待。

下面我们用一个故事来进行理解一下

故事时刻：

故事一：假设你的名字叫小明，在学校里呢是一个放荡不羁的公子哥，反正就是在学校就是上课经常不去，考试能不能过呢完全是看你努不努力，或者看运气，你呢有你自己的努力方式。小明你呢有一个同学叫做小张，小张是你们班的努力型学霸，经常稳定在班上排前十名，然后上课笔记也做得特别详细。然后呢，突然有一天要考c语言了，你呢一开始并不知道，突然在宿舍听到你室友说过两天要考c语言，你心想："这下坏了，啥也不知道咋过呢"。然后你突然想到你班上有个跟你玩的还可以的努力型学霸小张，知道他做笔记做的好，肯定做了老师划重点的笔记，然后就打算找他带你好好复习一下，然后你走到他的宿舍楼下，就跟小张打电话："小张啊，在不在？过两天是不是要考c语言了啊？" 小张说："是啊" 然后你说："那你等会有没有时间啊？" 小张就说："有时间啊，不过得再等我30来分钟把这个知识点复习完才有空"? 那么此时，你听到说有空，那你就又说："行，那你一会把你的c语言笔记带上，咱们一会去食堂吃个饭，我请你，我想借你的c语言复习笔记拿来复习一下。" 然后小张听说有人请吃饭，给他复习，顺便也可以给我再复习一遍,然后就说："行吧，那你等一等我"。然后你呢就把电话挂了，准备在下面刷了会短视频等着。然后你等了一会呢，就有点着急了，这怎么还没好啊，然后呢你又给小张来了个电话："小张，你好了没？"小张说："我不跟你说了吗，我还得 一会呢，你在等我把这个知识点弄清楚了。" 然后呢你说："好吧。"然后你把电话一挂，挂了之后呢，你又闲着没事干，然后又玩了玩手机，给家里面打了个电话，聊了会天，打了会游戏，你发现小张还没下来，又继续打电话："小张，你还没好呢嘛？" 小张说："快了，快了。"? ?然后你挂电话继续玩你的手机，又过了好一会，你发现还没下来，又打了个电话："小张，你好了没？" 小张说："好了，在下楼了。" 然后过了好一会儿，终于小张看到你，你两愉快的去食堂吃个饭顺便复习去了，然后过了两天你以60分的c语言成绩冒险过了。

故事二：

又过了几天突然又说要考数据结构了，发现比c语言更难了，然后你又再次想到了小张，照样走到小张宿舍楼下跟他打电话说："过两天又要考试了，跟上次一样，我请你吃饭你给我划重点复习呗！"小张听到就回复说："好"。 然后你又说："这次电话别挂了，你就跟我保持着吧，搞完了早点下来啊，到时候你弄好了直接跟我说一声再挂电话"? 小张说："行吧" 然后你等了十来二十分钟也不知道小张在干嘛，最后下来了。然后看到你之后在电话里跟你说了句话，然后挂了。

进程的阻塞式等待方式：

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;
}
运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.

进程的非阻塞式等待：

#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;
}