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Linux：进程等待究竟是什么？如何解决子进程僵尸所带来的内存泄漏问题？

2024-11-07 来源：个人技术集锦

一、进程等待的概念

 进程等待通常是指：父进程通过wait()/waitpid()的方式，让父进程对子进程进行资源回收的等待过程！！

二、进程等待存在的意义

 进程等待通常是为了解决以下两种情况：

三、如何进行进程等待

下面依次介绍进程等待所需调用的接口：wait()/waitpid()。

3.1 wait()是实现进程等待

1、wait()原型

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

pid_t wait(int *status);
  1. 返回值：如果成功返回被等待进程的pid，否则返回-1.
  2. 参数：ststus为输出型参数，获取子进程的退出信息，由操作系统自动填充。（后续会单独详细介绍，这里我们暂且不关心该参数，设为NULL）
  3. wait()用于等待任意进程，而waitpid则可以等待任意进程！！

2. 验证wait()能回收僵尸子进程的空间

 下面这样一段代码：fork()创建子进程，让子进程运行约5秒后退出但父进程不退出。此时子进程变为僵尸进程，进程状态为Z。此时调用父进程调用wait()接口回收僵尸子进程的资源空间。

【源代码】：

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

void worker()
{
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("I am child process, pid:%d, ppid:%d, cnt:%d\n", getpid(), getppid(), cnt--);
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //child
        worker();
        exit(0);  //子进程执行完worker()后直接退出，变成僵尸状态  
    }    
    else{
        //parent    
        sleep(10);    
        pid_t rid = wait(NULL);//对子进程进行回收                                                                                       
        if(rid == id)    
        {   
            printf("child process being recyceled sucess!, pid:%d, rid:%d\n", getpid(), rid);    
        }
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

【运行结果】：

 我们观察左边监视脚本发现，子进程在执行5次代码后退出，进程状态变为Z。一段时间后，父进程调用wait()函数对子进程进行回收，子进程消失。即父进程通过wait()实现了对子进程的回收！！

tips:

  1. 父进程调用wait()后，如果子进程没有退出，父进程会在wait上发生进程阻塞。直到子进程僵尸，wait自动回收后，返回被回收的子进程pid。
  2. 对于多个进程来说，谁先被调度是未知的，由内核调度算法决定。但可以肯定的是，父进程一定是最后退出的！

3.2 waitpid()实现进程等待

1、系统调用接口waitpid()原型

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

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
  1. 参数pid: 如果pid=-1，等待任意进程，和wait效果一样。如果pid>0，等待进程ID和pid值相等的子进程！
  2. 参数status：子进程的退出信息。status为NULL，表示不关心子进程的退出状态信息，否则操作系统会将子进程的退出码和错误码相关信息写入该参数中。（后续具体介绍其实现机制）
  3. 参数options: 为0表示阻塞等待。options除了0外，还可以被设置为WNOHANG，此时表示父进程以非阻塞方式进行等待（非阻塞 + 轮询方案）。
  4. 返回值：当正常退出时，waitpid返回收集到的子进程ID；如果进程异常，返回-1，此时errno会被设置为对于的错误码；如果进程采用非阻塞轮询方案，即将options设置为WNOHANG，如果子进程waitpid收集到的子进程没有退出，此时返回0！！

四、获取子进程status实现机制

 在wait()/waitpid()中，均存在参数status,该参数是一个输出型参数，由操作系统自动填充。如果该参数被设为NULL，表示不关心子进程的退出信息；否则OS会通过status的值，来将子进程相关退出信息返回给父进程！！

status如何保存相关信息？

 status是int类型，32bit。这里我们仅研究低16位！！
 其中status的最低7位保存子进程的退出信号（exit signal）；第8位表示的是core dump标志；9~16位表示的是进程的退出码（exit code）

 下面我们来做实验：我们通过fork()创建出子进程，然后让子进程运行约3秒；此时父进程通过waitpid以阻塞方式对子进程进行等待回收。然后通过位运算对status进行处理，获取status中的子进程退出码和退出信号。

【源代码】：

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>       
#include <sys/types.h>    
#include <sys/wait.h>    
    
int main()    
{    
    int status = 0;    
    pid_t id = fork();    
    if(id == 0)    
    {    
        int cnt = 3;    
        while(cnt)    
        {    
            printf("I am child, cnt:%d\n", cnt--);    
            sleep(1);    
        }    
        exit(3);    
    }    
    else if(id > 0)    
    {    
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);//以阻塞方式等待    
        printf("I am parent, pid:%d, rid:%d, status:%d, exit code:%d, signal:%d\n", getpid(), rid, status, (status>>8)&0xFF, status&0x7F);               
    }    
    return 0;    
}

【运行结果】：

在系统中提供了一些宏函数，用于直接获取进程的相关退出信息,具体如下：

  • 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）

父进程如何得知子进程的退出信息（底层执行流程）

 在子进程pcb中存在如下几个变量，分别用于保存进程的状态、退出码、退出信号：（Linux为例）

strucr task_struct{
	int exit_state;	//退出状态
	int exit_code;	//退出码
	int exit_signal;//退出信号
}

 当子进程退出时，操作系统会将子进程的退出码和退出信号保存到子进程PCB的exit_code变量和exit_signal变量中。
 而父进程通过waitpid/wait等待子进程时，OS会将子进程PCB中的退出码和退出信号通过组合放入status变量中，并将子进程的状态从Z改成S！！
 此时，父进程便可通过status来获取子进程退出信息，子进程可以被操作系统回收。

五、阻塞等待和非阻塞等待

 前面我们介绍waitpis接口时提到过，options参数设为0，表示父进程进行的时阻塞等待；设为WNOHANG表示父进程以==(非阻塞方式)，即非阻塞轮询方式==进行进程等待。

 那两种等待方式究竟是什么？有什么区别呢？

5.1 阻塞等待

 父进程以阻塞方式进行等待和普通阻塞进程一样。
 当父进程调用waitpid接口等待子进程时，如果此时子进程没有退出，操作系统会将父进程设置为阻塞进程，然后将父进程的PCB链入到子进程的等待队列中。一旦子进程退出，操作系统会将父进程PCB重新加载到运行队列中等待调度！

5.2 非阻塞等待（非阻塞 + 轮询方案）

  非阻塞等待是指父进程在等待子进程时发现子进程还未退出，此时父进程和阻塞等待一样一直在"原地等地子进程运行结束"。父进程会执行一些其他任务，并每隔一段时间查看子进程是否退出。一旦子进程退出后，父进程才会开始执行后续程序。
 非阻塞等待的好处就是让父进程在等待时，可以做一些自己占据时间不多的任务！！

六、非阻塞轮询方案示例演示

 下面我们通过fork创建子进程。然后让子进程做一些工作（打印输出一些信息，整个过程约10s），此时父进程通过waitpid接口进行非阻塞轮询方案进行等待。在等待过程中，我们让父进程做一些自己的“小任务”（这些小任务，博主同样采用输出信息代替，各位可根据实际情况修改）

【源代码】：

轮询时，父进程执行任务：
 博主将任务简化为输出一些信息，各位可自行更改任务

void download()
{
    printf("This download task is running!\n");
}

void writelog()
{
    printf("This write log task is running!\n");
}

void printinfo()
{
    printf("This print info task is running!\n");
}

大致框架，父进程和子进程执行任务：

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


#define TASK_NUM 5
void worker(int cnt)                                                                                                                                     
{
    printf("I am child, pid:%d, cnt:%d\n", getpid(), cnt);
}

int main()
{
	//下面5行模拟父进程的任务被加载好了，方便父进程等待子进程时被执行
    task tasks[TASK_NUM];
    Init(tasks, TASK_NUM);//初始化
    taskadd(tasks, download); //加载任务
    taskadd(tasks, writelog); 
    taskadd(tasks, printinfo); 

    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {//child
         int cnt = 5;
         while(cnt)
         {
             worker(cnt--);
             sleep(1);
         }
         exit(3);
    }
                                                                                                                                                        
    //parent
    while(1)
    {
         int status = 0;
         pid_t rid = waitpid(id, &status, WNOHANG);
         if(rid > 0)
         {//子进程正常退出
              printf("wait sucess!\n, pid:%d, rid:%d, exit code:%d, signal:%d\n",getpid(), rid, (status>>8)&0xFF, status&0x7F);
              break;
         }
         else if(rid == 0)
         {//父进程等待成功，但子进程没有退出。父进程开始做自己的小任务，一段时间后在查询子进程是否退出
             printf("------------------------------------------------\n");
             printf("wait sucess, but chils alive, wait again!\n");
             executeTask(tasks, 3);
             printf("------------------------------------------------\n");
         }
         else
         {//子进程退出异常
             printf("wait failed!\n");
             break;
         }
         sleep(1);
    }
    return 0;
}

父进程加载任务代码：

void Init(task tasks[], int num)
{
    for(int i = 0; i < num; i++)
    {
        tasks[i] = NULL;
    }                                                                                                                                                    
}

int taskadd(task tasks[], task t)
{
    for(int i = 0; i < TASK_NUM; i++)
    {
        if(tasks[i] == NULL)
        {
            tasks[i] = t;
            return 1;//增加任务成功
        }
    }
    return 0;//增加任务失败
}

void executeTask(task tasks[], int num)
{
    for(int i = 0; i < num; i++)
    {
        tasks[i]();
    }
}

运行结果：
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