【Linux】深入 Linux 进程等待机制：阻塞与非阻塞的奥秘

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文章目录

  • 1. 为什么需要进行进程等待
  • 2. 进程等待的方法
    • 2.1 wait方法
    • 2.2 waitpid方法
    • 2.3 获取子进程status
    • 2.4 进程的堵塞等待方式
    • 2.5 进程的非堵塞等待方法
  • 3.解释堵塞与非堵塞

1. 为什么需要进行进程等待

进程等待是多进程编程中至关重要的一部分，主要原因是为了让父进程正确管理子进程生命周期并避免各种问题。

  • 进行资源回收，当子进程结束后，操作系统不会立即释放与该进程相关的所有资源，需要父进程来获取子进程的终止状态，并释放这些资源。
  • 避免僵尸进程，虽然子进程已经结束运行，但是它在进程中仍然回保留占位条目，需要父进程回收。
  • 获取子进程的退出状态，用来判断子进程是否成功执行完成任务

2. 进程等待的方法

2.1 wait方法

头文件

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

语法格式

pid_t wait(int*status);

放回值：

成功返回被等待进程的pid，失败返回-1

参数:

输出型参数，获取子进程的退出状态，不甘心则可以设置为NULL

测试代码：

#include <stdio.h>                                               
#include <unistd.h>                                              
#include <sys/types.h>                                           
#include <stdlib.h>                                             
#include <sys/wait.h>                                           
int main()
{pid_t id = fork();if (id < 0){perror("fork error");exit(-1);//错误情况                                               }if (id == 0){//child process                                          int cnt = 5;while (cnt--){printf("i am a child process pid:%d\n", getpid());;sleep(1);}exit(0);//process exit                                   }sleep(10);//wait child process                               printf("i am a father pid:%d\n", getpid());pid_t ret = wait(NULL);if (ret > 0) printf("father wait:%d,success\n", ret);else ("father wait failed\n");sleep(10);return 0;
}

查看进程状态：

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/processWait$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep process| grep -v grep; sleep 1; echo "#######################################"; donePPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 Z+    1000   0:00 [process] <defunct>
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 Z+    1000   0:00 [process] <defunct>
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 Z+    1000   0:00 [process] <defunct>
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 Z+    1000   0:00 [process] <defunct>
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process668279  668280  668279  651091 pts/0     668279 Z+    1000   0:00 [process] <defunct>
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND651091  668279  668279  651091 pts/0     668279 S+    1000   0:00 ./process
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
#######################################PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND

查看上面的情况，我们可以发现，在中间有段时间子进程进入了僵尸状态，后来就被父进程给回收了。

2.2 waitpid方法

头文件：

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

语法格式：

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

返回值：

当正常放回的时候waitpid返回搜集到的子进程进程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error会被设置成相对应的值以指示错误所在。

参数：

pid:pid=-1,等待任意一个子进程，与wait等效。pid>0，等待其进程ID与pid相等的子进程。
status:WIFEXITED(status):如果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）WEXISTATUS(status):如果WIFEXIED非0，提取子进程退出码。（查看进程退出码）
options:WNOHANG:如果pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待，如果正常结束，则返回该子进程的ID。
  • 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获取子进程退出信息。
  • 如果任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则可能阻塞。
  • 如果不存在该进程，则立即出错放回。

2.3 获取子进程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。
  • 如果不传递NULL，操作系统会会根据该参数，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，应该当作位图来看待。

测试代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id<0){perror("fork fail");exit(1);}if(id == 0){//childprintf("i am a child pid:%d\n",getpid());sleep(20);exit(10);}else{//fatherint status;int ret = wait(&status);if(ret>0&&(status&0x7F)==0){//normal exitprintf("child exit code:%d\n",(status>>8)&0xFF);}else if(ret>0){printf("sig code:%d\n",status&0x7F);}}return 0;
}

正常退出会打印：child exit code:10
运行过程中被kill掉：sig code:9

2.4 进程的堵塞等待方式

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork fail");exit(1);}else if(id == 0){//childprintf("i am a child,pid is:%d\n",getpid());sleep(5);exit(257);}else{	//fatherint status = 0;pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待printf("This is test for wait\n");if(WIFEXITED(status)&&ret == id){printf("wait child 5s success,child return code is:%d\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed,return\n");return 1;}}return 0;
}

执行过程：
因为阻塞等待的缘故，在子进程结束前父进程都不会执行下一条语句。会一直卡在pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);者句语句。
执行结果：

i am a child,pid is:701810
This is test for wait
wait child 5s success,child return code is:1

提问：为什么会放回1呢
回答：
在上面的图中，我们得知了但程序正常退出后，其退出状态存储在低8位中，而257的二进制位为0001 0000 0001，会被截断为1

2.5 进程的非堵塞等待方法

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork fail");exit(1);}else if(id == 0){//childprintf("i am a child,pid is:%d\n",getpid());sleep(5);exit(1);}else{	//fatherint status = 0;pid_t ret = 0;do{ret = waitpid(-1,&status,WNOHANG);//非阻塞等待if(ret == 0){printf("child is running\n");}sleep(1);}while(ret == 0);if(WIFEXITED(status)&&ret == id){printf("wait child 5s success,child return code is:%d\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed,return\n");return 1;}}return 0;
}

执行结果：

child is running
i am a child,pid is:711095
child is running
child is running
child is running
child is running
wait child 5s success,child return code is:1

从这两段代码大家肯定可以分的清楚堵塞和非堵塞的区别了吧。就是还不理解，下面我在来一个例子相信大家一定就没有问题了。

3.解释堵塞与非堵塞

  • 阻塞场景：打电话等朋友接听
    • 你拨打朋友的电话，直到朋友接通之前你什么都做不了。这就像阻塞调用，你必须等着事情完成。
  • 非阻塞场景：发消息等待回复
    • 你给朋友发了个消息，等他们回你。你不用一直盯着手机看，而是可以去做别的事情，等收到消息后再查看。这就像非阻塞调用，你不需要等着完成才能做其他事情。

就是如此，感谢观看本篇文文章，提前感谢大家的点赞与收藏~

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引言 大家好&#xff0c;我是GISer Liu&#x1f601;&#xff0c;上篇博客中&#xff0c;我们基于DataWhale 2024年10月大模型生图安全疫苗注入赛道的任务&#xff0c;介绍了攻击与防御的基本策略&#xff0c;如通过上下文稀释法、隐喻替换等绕过检测机制&#xff0c;并提出了多…
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