Linux - 进程控制(下篇)- 进程等待

进程等待

 为什么进程需要等待?

 我们知道,在Linux 当中,父子进程之间一些结构就是一些多叉树的结构,一个父进程可能管理或者创建了很多个字进程。

而其实我们在代码当中使用fork()函数创建的子进程的父进程,这个父进程其实也是其他的父进程的子进程,我们在命令行当中运行进程,都是 bash 这个命令行解释器的子进程。

在之前 谈论进程状态的时候,我们说过,子进程的销毁(死亡状态),要先经历一个僵尸状态,这个状态下,是操作系统帮我们维护这个进程的相关信息,用于个这个子进程的父进程做信息保留(让父进程读取这个进程的结束状态),让父进程知道,这个子进程在销毁时候,执行的认为完成到哪一步了。

但是,如果父进程对这个子场景不管不顾的话,那么就会引发出僵尸状态下的一个大问题 -- 由僵尸状态引发的 内存泄漏问题。

因为,操作系统维护这个子进程的信息,本质上就是把这个子进程的信息,在内存当中进行维护,所以是要占用内存空间的。

而且,僵尸状态在操作系统看来就是一个将亡的状态,那么这个进程本质上马上就要死亡了,处于僵尸状态的进程是“刀枪不入的”,就算我们使用 kill -9 xxxx 这个强制关闭进程的命令,也无济于事。

此时,只能通过特殊的方式来将这个进程给删除掉,比如使用 进程等待的方式来实现。

所以,结果上述分析,得出一个结论:

僵尸进程是无法被杀死的,需要通过进程等待来杀掉它,进而解决内存泄漏问题。

我们要通过进程等待,获得子进程的退出情况。也就是需要知道这个子进程在退出的时候,它把这个任务完成得怎么样了。

 怎么做到进程等待?

 通过系统调用接口 wait / waitpid,来对子进程进行状态监测和资源回收的功能。

 我们先看下面这个例子:
 

上述的子进程只会执行 5 次,而父进程是一直执行的。我们在子进程当中使用 exit()函数来直接结束的掉子进程,防止子进程执行到与父进程共享的当中。

 结果输出:
 

子进程执行5次之后,就exit() 结束了,此时子进程不会直接死亡,互进入僵尸状态,我们可以简单在命令行当中写一个监测 这个两个进程 检测工具 来查看:
 

 while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep textwait | grep -v grep ; sleep 1 ; echo "----------------" ; done

监测结果:
 

 那么,这个子进程进入僵尸状态之后,就会一直处于僵尸状态,除非父进程去接收这个子进程的结束状态。最终带来的结果就是内存泄漏。

所以,我们要想法子让父进程接收子进程的退出状态。

 父进程可以通过调用 wait / waitpid 系统调用接口进行对僵尸进程的回收问题。


 wait ()接口

  • wait()函数所代表的意思就是, 等待一个进程,直到这个进程的状态发生改变。就是让 父进程来等待子进程。只要父进程创建的子进程,有子进程要退出了,那么父进程就会等待这个子进程。
  •  其中有一个 status 参数 ,放在 waitpid()当中说明。我们把这个设置为 NULL,表示的就是,我们不关心这个进程的退出状态。
  • 返回值 pid_t, 如果父进程等待成功,就会返回这个 子进程的PID,所以,这种情况的返回值是 >0 的。

所以,我们对上述的例子示例代码当中的,父进程的执行部分进行修改,给父进程执行 10 次,然后执行 wait()函数,等待子进程:

此时,当父进程执行10 次之后,就会运行 wait() 函数等待退出的子进程,输出结果如下所示:
 

发现,最后子进程在等待,回收的子进程就是刚开始创建的子进程,pid 都是可以对上的。 

 此时,我们再使用监控程序来检查一下此时父子进程的运行过程:
 

 说明,父进程调用 wait()函数之后,确实把 僵尸状态的子进程给回收了。


循环等待 

如果一个父进程有不止一个子进程的话,wait()函数是怎么使用的呢?等待哪一个呢?

注意的是,wait()等待的是任意一个子进程退出,也就是说,wait()函数一次只会等待处理一个子进程,如果需要除了多个僵尸子进程的退出问题的话,可以使用 循环执行 wait()函数来实现:

 阻塞等待

如果父进程在等待子进程退出之时,这个,或者多个 子进程一直都不退出的话,(如果此时父进程也不退出的话),此时,在父进程调用 wait()的时候,会在 wait()函数处,进行 阻塞等待

换言之,子进程一直不退出,父进程调用的 wait()函数也就一直不回返回,简单点说就是 “等你死”。只要子进程退出了,成为僵尸状态了,那么wait()函数才会返回。这种等待叫做 阻塞等待

 所以,一个进程处于等待状态,或者称之为 阻塞状态,它不一定,一定是在等待某一个硬件资源,也有可能是在等待某一个软件资源。这叫做 -- 软件条件。在服务器当中,就经常使用这种因为等待软件资源,而进程等待(阻塞)的模式。

像上述的父进程,调用wait()函数,但是就可以没有等到 退出的子进程,那么父进程就是在等待软件资源。


进程等待是必须的!

由上述你也发现,如果父不等待的话,子进程会一直处于僵尸状态 ,而进程的等待,有一个非常大的作用 --- 回收僵尸子进程。如果不等待的话,这个进程就一直是僵尸状态,那么就会一直占用系统资源,造成内存泄露问题

所以,一个进程使用过程应该是:创建进程(比如 fork()) --  终止进程 (比如 exit())--- 进程等待(比如 wait())


waitpid()获取子进程的退出状态

 上述我们使用了 wait()函数来等待了子进程的退出,结束了子进程的僵尸状态;但是,父进程结束僵尸状态,可能不仅仅是为了解决内存泄漏问题的,有的时候,父进程需要知道子进程是为什么而退出的,或者是像知道,子进程在退出之时,把他的任务做到了什么进度,是否完成。

所以,这时,需要使用 waitpid()函数:

 waitpid()函数是wait()函数的升级版,你可以理解为,wait()函数的功能是 waitpid()函数的功能的 子集。

 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。

 理解 status 参数

 wait()和 waitlid()两个函数的 status 参数的作用是是一样的,所以,这里介绍 waitpid()当中的 status 就可以了。

首先我们会发现,这个 status 参数的类型是 int*,在传参之时,确实是要传一个指针的。

我们需要通过 status 参数,利用 wait()或者 waitpid()这两个函数,拿到任意给一个进程或者是 指定进程的 退出结果的。

从语法上理解,这个 status 参数是一个输出型参数。是专门用于在 wait()和 waitpid()两个函数当中,接受返回某个就的退出码的。

如下面这个例子:

相当于是在 waitpid()函数内部,利用传入的 status 指针来修改到外部的 status 这个变量 。

 此时我们在打印一下的 status 看看 值 是不是 1:

此时我们就发现,打印的 status 的值不是1,是 256,这是为什么呢?

要搞清楚这一点,我们就要先搞清楚,父进程究竟想要子进程返回什么?

 首先,子进程是一个进程,一个进程运行的执行结果无外乎就是三种:

  • 代码运行完毕,结果正确;
  • 代码运行完毕,结果不正确;
  • 代码异常终止;

那么,这种三种情况就是父进程想要知道的,子进程退出之前的信息。如果正常执行,返回0,那么还好,如果返回的不是0,就是说明出了问题;这两种情况都好说,都可以用返回的退出码来表示。但是,如果是异常信息呢?

其实,父进程在等待的时候,需要关心的事情还是很多的,这就注定了,status 这个变量,就不能被单纯的看做的是一个 整数来看待;其实这个 status 变量是把这个整形变量看做好几部分的。 

 整形的存储是有32 个比特位,系统当中把这个 status 变量的这 32 个比特位分成了几个部分来看待

首先要确定的是,当前我们先不看 高位 的16个比特位的含义,也就是 前16 个我们先不考虑含义,我们先考虑 后 16 位:
 

 可能上图不能更好表示,我们利用 各个比特位的 数字来表示更加 形象:
 

我们发现,在这后16 个比特位当中,表示了三种信息:

  • 进程的退出状态;
  • core dump 状态;
  • 进程的终止信号;

 所以,此时你应该就明白了,上述为什么输出的是 256了,256.不就是 2^8 吗?

 所以,status 使用最后 7 位来表示异常信息的,我们所说的进程异常指的就是这个进程受到了异常信号,比如我们使用 kiil -9 就可以给某一个进程发送一个 9 号信号。

 虽然异常的报错很多,都是以字符串的方式展现给用户的,但是进程的信号是有编号的,我们使用 kill -l 就可以查看所以信号:

发现,每一个信号都是有编号的。

  • 而且,编号都是从1 开始,没有 0 号异常信号的,所以,如果我们像检测一个进程退出之时,是否发生异常,可以查看这个 进程的信号是不是 0 。(也就是查看 status 的 低7位是否为 0)
  •  那么在上述判定 进程是否发生异常之后,还需要判断这个进程是否执行完毕,如果执行完毕,结果对不对,这就要看 进程的退出信号了,也就是 status的 15 - 8 这 16 个比特位。


在提一个简单区分为问题:

那么,我为什么要用这个 wait/waitpid 这些系统调用接口来 获取到 某一个进程的 各种退出码 和 各种信号呢?

我们直接在 全局定义一个 变量,当子进程出现问题,或者没有会出现问题,按照不同的情况,像 wait的系统调用接口当中区分这些情况的方式一样去却分这些情况,然后把这些计算出的值直接 赋值个这个 全局变量不行吗?

答案肯定是不行的。 因为,进程之间是具有独立性的,我们之间再谈进程地址空间当中谈过,父子进程,在子进程刚开始创建之时,父子进程是共用一个数据和代码的。但是如果 父子进程其中的某一个先修改了某一个变量的值(或者是修改了某一块的数据的话),那么操作系统就会发生写时拷贝,为这个先修改的进程单独创建一个空间,用于存储这个进程修改的变量的数据。

所以,如果子进程当中对 这全局变量进行修改的话,那么就会发生写时拷贝,当发生写时拷贝之后,那么父子进程就不在共用一个 这个全局变量的数据了。

Linux - 进程地址空间-CSDN博客

所以,只能使用  wait 这些系统调用接口来实现。 


简单验证上述所说的 status 的取值结构

要想验证的话,就要使用 位操作运算符了。

我们使用 一下方式来验证:
 

status & 0x7F

status 按位与上 0x7F ,0x7F 的后8位就是 0111 1111:
这样的话,上述式子的运算符结果就是,原本 status 在除去 后8位 之外的其他位的干扰之外,后7位本来的值。

 接着,还要提取出 15 - 8  这16 个比特位的 值:
同样使用 按位与:

(status>>8) & 0xFF

0xFF 就是 1111 1111 。

 程序代码:
 

 取的 子进程 还是上述例子当中子进程,输出结果:

发现,此时的退出码是1,进程信号是0;验证成功。


使用宏来更好的从 status 当中提取出程序信息

像上述使用的 类似于 按位与 上 0x7F 或者是 0xFF 这样的方式来提取出 status 当中的程序信息,还是太麻烦了,而且,对于初学C语言,不了解位操作的新手来说,上手需要成本。

所以,在库当中有两个常用的宏函数,可以帮助我们从 status 当中提取出 两个 进程信息:

  • 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)

 这两个宏函数可以帮助我们从 传入处参数 status 当中提取出 进程的返回状态和 进程退出码

其实两个函数也就是替换了一下 上述我们实现的 类似 0x7F 位操作,只不过可能 取了逻辑反的操作。

但是在使用上来说,比以前就非常的直观了。

  

需要注意区分的是:上述两个if 当中的else语句代表的是不同的意思,两者是不同的概念。 


进程等待的原理

 我们之前说过,子进程在转变为 死亡状态之前,要先转换为  僵尸状态,在僵尸状态的时候,子进程的代码和数据在内存当中所占的空间可以释放掉,但是存储 子进程信息的 PCB对象不能,操作系统要维护 子进程退出 信息。

子进程的退出信息就主要的是: exit_code 退出码;exit_signal 退出信号,这两个信息。这两个信息,就被父进程当中的 wait/waitpid 之类的函数所捕获,然后修改到父进程数据区当中是变量当中。

 把 exit_code 退出码;exit_signal 退出信号 这两个信号,结果位运算,合并为一个 status 变量当中存储。

 从上述当中也体现了,操作系统不相信任何人,他不允许用户直接访问到操作系统当中当中数据,或者是硬件存储的数据,只能通过接口来访问。向上述,在子进程 PCB 当中的两个重要信息,我们直接访问是访问不到的,只要通过操作系统提供的 类似的 wait()一样的接口才能访问到。也就是说,访问和修改数据可以,但是必须要在操作系统的监督之下,因为有些数据非常的重要,不能修改掉,只有操作系统去监督,操作系统才给你去访问和修改数据。

 bash 的进程等待

我们在运行一个比较长的进程之时,或者说是,当在命令行当中运行一个进程,在这个进程正在运行的时候,我们再在命令行当中输入命令,比如输入 ls ,pwd 这些本来可以运行命令之时,就没用了,bash 不能解析当中我们输入的命令,如下面所示:

如上所示,输入命令回车之后,这个目录的程序并没有执行,说明当前的bash 并未解析这些命令。

为什么呢?

其实你在理解我上述所说的那些进程等待之后,你已经猜到了:

因为,我们在命令行运行一个可执行程序,是在bash 为父进程的情况喜爱,在bash 当中按照这个可执行程序的 源代码文件,创建的一个子进程,子进程在 命令行运行显示期间,bash 是处于进程等待的,bash 在等待 这个子进程运行结束,接收进程的信息,然后销毁掉这个进程。 

 像上述我们所写的例子,写了一个父进程创建了多个子进程,然后等待这些个子进程退出,释放空间,父进程才结束。在这个父进程运行期间,因为这个 父进程是有bash 创建的,所以此时,是bash 在等待着 父进程运行结束。


所以,我们又可以总结一下:

在Linux 当中各个进程之间的关系是一个 多叉树的关系,一个父进程 可能由多个或者没有子进程;而这个父进程 可能也会有 父进程;但是,纵使关系非常复杂,想要管理好这些个进程的退出信息的话获取 和 空间的释放的话,只需要 让各自的 父进程 管好自己的 子进程即可。

也就是说,父进程只关心自己的 直系的,第一代孩子,父进程的 “孙子”进程 父进程是不管的,这个 “孙子”进程 由 父进程的 子进程进行管理。

而 父进程 由被 其父进程 所管理,这样每一个进程都受到了管理,那么所以进程的 父进程 可能就是操作系统,操作系统在管理的时候,只需要管理好自己的 子进程 就可以管理好所以的,正在执行的进程。


 非阻塞轮寻 和 父进程的阻塞等待

 其实在子进程当中有一个等待队列,当父进程在等待 子进程退出之时,父进程要链入到 子进程 PCB 当中维护的 等待队列当中,所以,在我们看来,此时,父进程是没有在运行的。

当 子进程 退出之时,父进程就可以获取到 子进程的退出信息,当子进程退出的工作都处理好之后,既可以重新 把 父进程从 子进程的 等待队列当中唤醒。

我们把这个过程 称之为 -- 父进程  阻塞等待


但是,其实父进程的等待还是有其他的方式的,我们在上述说明 waitpid()这个函数当中,提到过  options  这个参数,这个参数我们一般是 设置为 0 来使用,那为什么设置为 0 呢? 0 代表什么呢?

 关于这个参数的使用我们还是要先说明一个 宏: WNOHANG

  • 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。

关于这个宏可以拆分来理解,W NO HANG :非阻塞 + 循环。


如果 父进程 在等待子进程结束的时候,子进程一直没有结束,那么就会直接通过函数返回值返回没有子进程 情况的返回值,这叫做 调用调用立马返回。也就是,此时在父进程等待的过程当中,子进程是否退出成功,不管成不成功,都是立马返回,父进程不做等待,这就是非阻塞

 而,基于上述的非阻塞,一直调用 wait 这些函数,询问 子进程是否结束,这个过程 称之为  -- 循环(轮询)

 非阻塞轮寻,可以带来的好处是:对于 之前 父进程等待子进程 就不能做其他的事情的这种情况,做了优化,在每一次查询间隔当中,不是一直盲目的进行循环查询子进程是否退出,而且是边做是边查询,在间隔当中做父进程自己的事情,做一会儿,再去看子进程是否退出。

 也就就是,当调用了 waitpid()函数判断返回值,发现子进程还没有退出,那么我就做父进程自己的事情,做了一会儿,在回头去调用 waitpid()函数查询子进程。

所以 ,waitpid()这个函数的返回值是 由三种情况:

  • 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID;(>0)
  • 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;(=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;(<0)

 在父进程等待 子进程的过程当中吗,可能会等待成功,那么就接收子进程退出信息;等待失败,说明子进程出现问题,或者是在调用当中出错;继续等待(此时等待是成功的),可能是没有找到这个子进程退出的情况,也可能是这个子进程还在运行,所以,就继续等待。直到返回值 >0 或者 <0。

 简单例子理解:

 像上述的 waitpid ()函数的第三个参数:

  • 不是传入 0 了,0 代表的是 阻塞等待,子进程不退出,父进程不会执行;
  • 而在上述例子当中传入的是 WEXITSTATUS 这个宏,此时代表的意思是 非阻塞等待。

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