（16）Linux 进程等待 && wait/waitpid 的 status 参数

本文介绍: 我们开始讲解进程等待，简单地讲解 wait 函数，然后我们主要讲解 waitpid 函数。由于 wait 只有一个参数 status，且 waitpid 有三个参数且其中一个也是 status，我们本章重点讲解这个 status 参数。

前言：我们开始讲解进程等待，简单地讲解 wait 函数，然后我们主要讲解 waitpid 函数。由于 wait 只有一个参数 status，且 waitpid 有三个参数且其中一个也是 status，我们本章重点讲解这个 status 参数。

一、进程等待（Process wait）

1、进程等待的必要性

为什么要进行进程等待？不知道大家是否还记得我们在之前的章节讲过的 “僵尸进程” 的概念。

僵尸状态：当一个 $textrm{Linux}$ 中的进程退出的时候，一般不会直接进入 $X$ 状态（死亡，资源可以立马被回收），而是进入 $Z$ 状态。

子进程退出如果父进程不管不顾，就可能造成僵尸进程的问题，一直占内存进而引发内存泄露。

所以我们必须让其从 $Z$ 状态变为 $X$ 状态：

进而允许操作系统能去释放它（将代码和数据 free 掉，将相关数据结构归还给 slab 分派器）。

上面我们讲的实际上就是我们需要进程等待的一个原因 —— 解决内存泄露问题。

然而不仅仅这一个原因，我们还需要进程等待来获取子进程的退出状态。

我们需要知道父进程派给子进程的任务完成的如何。

比如子进程运行完成，结果对还是不对，是否正常退出？

通过进程等待的方式，回收子进程资源，获得子进程退出信息。

获取子进程的退出状态是否需要将曾经子进程的退出信息保存起来，然后被恢复、读取呢？

这和我们刚才讲的进程退出有着大大的关系！我们知道了进程退出是有退出码的。

我们需要让子进程退出时它的 return 结果或者 exit 的结果是需要被父进程读到的。

总结：需要进程等待的原因：① 解决内存泄露问题 ② 获取子进程的退出状态

2、wait 函数

函数原型是
 
#include <sys/types.h>
 
#include <wait.h>
 
int wait(int *status)

函数功能是：父进程一旦调用了wait就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。

我们看到，wait 有一个叫 status 的参数

我们下面验证一下这个函数是否可以 $Zrightarrow X$ ，我们会把 status 暂且设置为空。

验证：

简单来说，就是让父子进程都跑起来，并各自打印消息，子进程一直死循环运行，父进程将自己休眠 20 秒，在这 20 秒之内我们手动把处于死循环的子进程给 kill 掉，此时子进程会处于 $Z$ 状态，此时父进程还在休眠不会立即调用 wait（这么做是为了便于观察）。

当 20 秒过后，父进程苏醒后执行了 wait 函数，用一个变量 ret 去接收 wait 的返回值，通过返回值来确定是否等待成功。如果等待成功了就会成功 $Zrightarrow X$ 。

为了观察进程状态，我们写一段监控脚本，做到每隔一秒就监控一下我们的 mytest 进程。

监控脚本：

$ while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep mytest | grep -v grep; echo "-----------------------------------------------------------------------"; sleep 1; done

运行后我们只需要死死盯着 $textrm{STAT}$ ，观察状态的变化即可！

开三个窗口，分别用于运行监控脚本、运行 mytest 和 kill 子进程：

至此，我们成功验证了父进程等待了子进程。

通过 wait() 的方案，我们可以解决回收子进程的 $Z$ 状态，让子进程进入 $X$ 状态。

3、cwaitpid 函数初识

刚才讲的 wait 并不是主角，因为其功能比较简单，在进程等待时用的更多的是 waitpid

waitpid 可以把 wait 完全包含，wait 是 waitpid 的一个子功能。

waitpid：等待任意一个退出的子进程。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

从本质上讲，系统调用waitpid和wait的作用是完全相同的，但waitpid多出了两个可由用户控制的参数pid和options，从而为我们编程提供了另一种更灵活的方式。下面我们就来详细介绍一下这两个参数：

对于返回值 pid_t：

如果 pid_t > 0：等待子进程成功，返回值就是子进程的 pid；
如果 pid_t < 0：等待失败。

对于参数 pid：

设置参数 pid > 0：是几，就代表等待哪一个子进程，比如 pid=1234，指定等待。
设置参数 pid = -1：待任意进程。

options：

options提供了一些额外的选项来控制waitpid，目前在Linux中只支持WNOHANG和WUNTRACED两个选项，这是两个常数，可以用”|”运算符把它们连接起来使用，比如：

ret = waitpid(-1,  NULL,  WNOHANG | WUNTRACED);

如果我们不想使用它们，也可以把options设为0，如：

     ret = waitpid(-1,  NULL,  0);

对于参数 status：

该参数是一个输出型参数，通过调用该函数，从函数内部拿出特定的数据。

值得强调的是，wait/waitpid 是系统调用！

说明：父进程等待子进程，子进程也会执行自己的代码。当子进程执行了 return/exit 退出后，子进程会将自己的退出码信息写入自己的进程控制块 PCB中。子进程退出了，代码可以释放，子进程退出后变成 Z 状态，其本质上就是将自己的 task_struct 维护起来（代码可以释放，但是 task_struct 必须维护）。所谓的 wait/waitpid 的退出信息，实际上就是从子进程的 task_struct 中拿出来的，即从子进程的 task_struct 中拿出子进程退出的退出码

所以，我们的父进程在等待子进程死亡，等子进程一死，就直接把子进程的退出码信息拷贝过去，通过 wait/waitpid 传进来的参数后，父进程就拿到了子进程的退出结果。即子进程会将自己的退出信息写入 task_struct 。

子进程的 task_struct 是操作系统的内部数据结构这个 waitpid 自然就是系统调用，实际上就是调用操作系统的功能。

总结：父进程通过调用 wait/waitpid，通过 status 参数，就可以将子进程的信息拿到手。

二、wait/waitpid 的 status 参数

1、status 参数是位图结构

wait 和 waitpid，都有这个 status 参数，如果传递 NULL，则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。

该参数是一个 输出型参数 （即通过调用该函数，从函数内部拿出来特定的数据）。

并且，status 参数是由操作系统填充的！是一个整数，该整数就是下面我们要详细研究的。

它虽然是一个 int 型整数，但是不能简单地将其看作整型，而是被当作一个 位图结构 看待。

不过，关于 status 我们只需要关心该整数的低 16 个比特位！

我们不必去关心它的高 16 位，因为凭借低 16 位就足以判断了。

然而，整数的低 16 位，其中又可以分为 最低八位 和 次低八位（具体细节看图）：

2、次低八位：拿子进程退出码

重点：通过提取 status 的次低八位，就可以拿到子进程的退出码。

验证：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
int main () 
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {
        int cnt = 5;   // 循环5次
        // child
        while (cnt--) {
            // 五秒之内运行状态
            printf("我是子进程，我正在运行... Pid: %dn", getpid());
            sleep(1);
 
            // 五秒之后子进程终止
            
        }
 
        exit(233);   // 方便辨识，退出码我们设置为233，这是我们的预期结果
    }
    else {
        printf("我是父进程: pid: %d，我将耐心地等待子进程！n", getpid());
        
        // ***** 使用waitpid进行进程等待
        int status = 0;  // 接收 waitpid 的 status 参数
 
        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
        if (ret > 0) {   // 等待成功
            printf (
                "等待成功，ret: %d, 我所等待的子进程退出码: %dn", 
                ret,
                (status>>8)&0xFF
            );
        }
 
    }
}

我们说了，status 并不是整体使用的，而是区域性使用的，我们要取其次低八位。我们可以用 位操作 来完成，将 status 右移八位再按位与上 $textrm{0xFF}$ ，即 (status>>8)&0xFF ，就可以提取到 status 的次低八位了。