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進程控制 —— 進程等待

1. 進程等待必要性

• 當父進程通過 fork() 創建了子進程后，子進程終止時，其退出信息必須由父進程讀取，父進程如果不管不顧，就可能造成 僵尸進程 的問題，進而造成內存泄漏。
• 另外，進程一旦變成僵尸狀態，那就刀槍不入，“殺人不眨眼”的 kill -9 也無能為力，因為誰也沒有辦法殺死一個已經死去的進程。
• 最后，父進程派給子進程的任務完成的如何，我們需要知道。如子進程運行完成，結果對還是不對，或者是否正常退出。
• 父進程通過進程等待的方式，回收子進程資源，獲取子進程退出信息。

如果不等待會怎樣？

• 子進程退出了，但父進程沒有調用 wait() 系列函數。
• 子進程的“退出狀態”會保留在內核中，直到父進程讀取它。
• 此時子進程的 PCB 沒有完全釋放，占用系統資源。
• 如果產生大量僵尸進程，系統資源將耗盡，導致無法創建新進程。、

所以：父進程需要“等待”子進程終止并獲取其退出狀態，以釋放系統資源。

面試點撥： 如果不調用 wait() 會怎樣？

回答：子進程的退出信息留在內核，PCB 未釋放，形成僵尸進程，長期不回收會占滿系統資源。

---

2. 常用等待方法（重點掌握）

函數名	作用
wait(int *status)	阻塞等待任意一個子進程結束，并獲取其退出狀態
waitpid(pid, &status, options)	更靈活：等待指定子進程，或非阻塞等

1. wait() 示例（阻塞等待子進程）

wait()：

• 原型：pid_t wait(int *status);
• 功能：阻塞等待任意一個子進程退出，并回收其資源。
• 參數：status（輸出型參數）：保存/獲取子進程退出狀態（需用宏解析，如 WIFEXITED）。不關心可設置為 NULL。
• 返回值：成功返回子進程 PID，失敗返回 -1。

實驗目的：

• 學會使用 wait() 函數阻塞等待子進程結束。
• 理解如何通過 status 獲取子進程的退出狀態。
• 掌握如何判斷子進程是否正常退出以及獲取其退出碼。

[!CAUTION]

下面代碼會涉及部分知識盲區，在文章后面會講到！

實驗：

#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)                            // 子進程{int count = 10;while (count--){printf("我是子進程...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());   // 子進程邏輯：打印 PID 和 PPIDsleep(1);}exit(0);                            // 子進程退出}int status = 0;                         // 存儲子進程退出狀態pid_t ret = wait(&status);              // 阻塞等待子進程結束if (ret > 0)                            // 父進程{// 父進程等待子進程結束printf("等待子進程結束...\n");if (WIFEXITED(status))              // 判斷子進程是否正常退出{// 子進程正常結束printf("子進程正常結束，退出狀態碼:%d\n", WEXITSTATUS(status));}}sleep(3);return 0;
}

實驗示例結果：

我是子進程...PID:1234, PPID:1233
我是子進程...PID:1234, PPID:1233
...
等待子進程結束...
子進程正常結束，退出狀態碼:0

2. waitpid() 示例（等待指定子進程，更靈活）

waitpid()

• 原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
• 功能：更靈活地等待指定子進程，支持非阻塞模式。
• 參數：
• pid：指定子進程 PID，或 -1 表示任意子進程。
• options：常用的有 WNOHANG 表示非阻塞等待（立即返回，無子進程退出時返回 0）。
• 返回值：成功返回子進程 PID，WNOHANG 模式下無退出子進程時返回 0，失敗返回 -1。

實驗目的：

• 學會使用 waitpid() 函數等待指定子進程。
• 理解非阻塞等待（WNOHANG）的使用場景和優勢。
• 掌握如何在等待子進程的同時處理其他任務。

實驗 1：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t pid = fork();if (pid == 0){exit(10);}else{int status;pid_t wpid;while ((wpid = waitpid(pid, &status, WNOHANG)) == 0){printf("父進程忙別的事...\n");sleep(1);}if (WIFEXITED(status)){printf("子進程退出碼 = %d\n", WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

實驗示例結果：

父進程忙別的事...
父進程忙別的事...
...
子進程退出碼 = 10

WNOHANG 的用途（后面詳講）：它用于非阻塞輪詢場景，讓父進程可以邊處理任務邊檢查子進程狀態。

實驗 2：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();          // 創建子進程if (id == 0){int time = 5;int n = 0;while (n < time){printf("我是子進程，我已經運行了:%d秒 PID:%d   PPID:%d\n", n + 1, getpid(), getppid());sleep(1);n++;}exit(244);              // 子進程退出}int status = 0;             // 狀態pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);        // 參數3 為0，為默認選項if (ret == -1){printf("進程等待失敗！進程不存在！\n");}else if (ret == 0){printf("子進程還在運行中！\n");}else{printf("進程等待成功，子進程已被回收\n");}printf("我是父進程, PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());//通過 status 判斷子進程運行情況if ((status & 0x7F)){printf("子進程異常退出，core dump：%d   退出信號：%d\n", (status >> 7) & 1, (status & 0x7F));}else{printf("子進程正常退出，退出碼：%d\n", (status >> 8) & 0xFF);}return 0;
}

實驗示例結果：

我是子進程，我已經運行了:1秒 PID:1234   PPID:1233
...
進程等待成功，子進程已被回收
我是父進程, PID:1233   PPID:1232
子進程正常退出，退出碼：244

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3. status 退出狀態詳解

1. 什么是 status？

當你用 wait() 或 waitpid() 等函數回收子進程時，會通過一個整型變量 status 返回子進程的 終止狀態/狀態碼 status 信息。這個 status 是一個 32 位整數，它的 各個位（bit）存儲了子進程退出的不同信息，主要包括：

• 子進程是否正常退出
• 退出的返回碼
• 是否是被信號中斷
• 是否是 core dump 等

當子進程結束時，它就會返回一個 狀態碼 status，通過宏函數解讀它：

宏函數	判斷或提取內容	實現底層邏輯	本質
WIFEXITED()	是否正常退出	(status & 0x7F) == 0	判斷是否未被信號終止（是否正常退出）
WEXITSTATUS()	獲取退出碼	(status >> 8) & 0xFF	提取退出碼所在的 8 位（獲取 exit 返回碼）

這些宏的 設計目的 就是為了 屏蔽底層實現細節，讓你寫代碼時更易讀。但其實就是對 status 進行的位運算封裝。

---

2. status 的位布局（Linux 下）

通常（glibc 實現下），status 的位布局如下：

31...........16 | 15.....8 | 7......0保留位        | 退出碼   | 信號位  

  31                            16 15         8 7      0
+-----------------------------+-------------+--------+
|           保留              | 退出碼(exit) | 信號碼 |
+-----------------------------+-------------+--------+↑           ↑|           |(status >> 8)  status & 0x7F                                                 

---

3. WIFEXITED 和 WEXITSTATUS 的底層原理

1. WIFEXITED(status)

判斷子進程是否 正常退出（調用了 exit() 或 return）

#define WIFEXITED(status)  (((status) & 0x7F) == 0)

🔸 它檢測的是 低 7 位（status & 0x7F）是否為 0，即 沒有被信號終止。

2. WEXITSTATUS(status)

獲取子進程的 退出碼（exit() 或 return 的值）

#define WEXITSTATUS(status)  (((status) >> 8) & 0xFF)

🔸 它提取的是 第 8~15 位，因為退出碼就被編碼在這里。

4. 實驗測試

實驗目的：

• 學會解析 status 的各個位，了解子進程的退出狀態。
• 掌握如何通過宏函數判斷子進程是否正常退出以及獲取其退出碼。
• 理解如何手動解析 status 的位信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid = fork();if (pid == 0){exit(66); // 子進程退出碼設為 66}else{int status = 0;waitpid(pid, &status, 0);printf("原始 status：%d (0x%x)\n", status, status);if (WIFEXITED(status)){printf("正常退出，返回值 = %d\n", WEXITSTATUS(status));printf("手動解析返回值 = %d\n", (status >> 8) & 0xFF);}else{printf("非正常退出\n");}}return 0;
}

輸出示例：

原始 status：16896 (0x4200)
正常退出，返回值 = 66
手動解析返回值 = 66

示例：手動解析 status：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid = fork();if (pid == 0){exit(66);                                       // 子進程退出碼設為 66}else{int status = 0;waitpid(pid, &status, 0);printf("原始 status: 0x%x\n", status);// 手動解析 statusif ((status & 0x7F) == 0)                       // 判斷是否正常退出{ int exit_code = (status >> 8) & 0xFF;       // 提取退出碼printf("手動解析：子進程正常退出，退出碼: %d\n", exit_code);}else{printf("手動解析：子進程異常退出，信號碼: %d\n", (status & 0x7F));}}return 0;
}

擴展：

寫法模板：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid = fork();if (pid == 0)           // 子進程邏輯{exit(0);}else if (pid > 0)       // 父進程邏輯{int status;pid_t ret = waitpid(pid, &status, 0);if (ret == -1){perror("waitpid error");}else if (WIFEXITED(status)){printf("子進程正常退出，退出碼: %d\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("子進程異常退出\n");}}else{perror("fork error");}return 0;
}

---

若子進程是被信號殺死的，還可用：

• WIFSIGNALED(status)：是否被信號終止。
• WTERMSIG(status)：哪個信號導致的。

這些也都是對 status 特定位的封裝。

面試點撥：

Q：只創建一個子進程也要 wait() 嗎？

A：要，不然會產生僵尸進程。

Q： wait(NULL) 和 wait(&status) 有何不同？

A：前者不關心子進程退出碼，后者可以判斷退出狀態。

Q：wait() 和 waitpid() 的區別是什么？（詳見下文）

A：wait() 阻塞等待任意一個子進程，而 waitpid() 可以指定子進程，并支持非阻塞模式。

Q：怎么判斷子進程是否異常退出？

A：WIFEXITED(status) 為假時即為異常，可結合 WIFSIGNALED 查看是否被信號終止。

---

4. 非阻塞輪詢

1. 什么是非阻塞輪詢（Non-blocking Polling）？

非阻塞輪詢 是一種在程序中檢查某項資源狀態（比如文件描述符、輸入輸出、子進程狀態等）時，不會阻塞（掛起）當前線程或進程的技術。非阻塞輪詢其實是 進程等待的一種特殊形式，本質上就是使用 waitpid() 函數時，配合選項 WNOHANG，來實現 非阻塞地檢查子進程是否退出。

非阻塞輪詢底層依賴：

• waitpid(..., WNOHANG)：設置為非阻塞檢查子進程。
• read() / write() 配合 O_NONBLOCK 標志。
• select() / poll() / epoll() 這些高級接口也支持非阻塞 I/O 檢測。

聯系：

• 非阻塞輪詢 ≈ 進程等待 + WNOHANG 參數。
• 是進程等待的一種實現方式，可以避免父進程“卡死”在等待中。
• 適合場景：父進程還有其他任務要處理、需要同時監控多個子進程、構造后臺守護程序等。

---

這樣說難以理解，我們用一個示例來幫助理解：假如你是快遞員，你今天安排了送貨任務，但你同時還在等一個客戶簽收你的包裹。現在有兩種做法：

場景一：阻塞等待（wait）

你在客戶門口等著他開門簽字，你哪兒也不去，什么都不干，就在那兒等。就是 wait() 或 waitpid(pid, NULL, 0)。

• 優點：等到了就能馬上處理。
• 缺點：你被“卡住”了，浪費了等的這段時間。

場景二：非阻塞輪詢（WNOHANG）

你不一直站在門口，而是 每隔 10 分鐘回來敲一次門，空閑的時候你還可以去送別的快遞。就是 waitpid(pid, &status, WNOHANG) + sleep(1)。

• 優點：你不會被“卡住”，還能干其他事。
• 缺點：客戶簽收可能不能第一時間知道（需要“輪詢”）。

場景三：阻塞輪詢（極端示例）

你不停敲門、再敲門，一直不走，一直問：“你簽了沒？你簽了沒？” 程序中表現為沒有 sleep 的非阻塞 waitpid(pid, WNOHANG) 死循環。

• 缺點：會讓 CPU 瘋狂運轉（忙等待）。

術語與現實對應表

系統術語	現實中的你
阻塞等待	在門口站著等，不做別的事
非阻塞輪詢	每隔一段時間回來問一次，期間干別的事
阻塞輪詢	瘋狂按門鈴，問個不停，CPU 很累
進程等待	等子進程結束，獲取退出狀態

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2. 聯系總結（術語圖譜）

                  wait/waitpid┌────────────┐│ 進程等待機制│└────┬───────┘│┌─────────────┴────────────┐│                          │┌─────▼─────┐             ┌─────▼─────────┐│ 阻塞等待   │             │ 非阻塞輪詢     ││ wait()    │             │ waitpid(pid, WNOHANG) │└────────────┘             └──────────────────────┘

---

3. 我該怎么選？怎么使用？

場景	推薦方法	原因
父進程只等子進程結束，沒別的事干	阻塞等待 (wait)	簡單、直接、不會浪費資源
父進程還有其他重要任務	非阻塞輪詢 (waitpid + WNOHANG)	不中斷其他邏輯，更靈活
你同時要監控多個子進程	非阻塞輪詢	可以處理多個子進程，適合服務端/守護程序
寫簡單的練習題/實驗代碼	阻塞等待即可	寫起來方便，看得懂

實驗目的：

• 學會使用非阻塞輪詢等待子進程結束。
• 理解如何在等待子進程的同時處理其他任務。
• 掌握如何通過 WNOHANG 選項實現非阻塞等待。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{pid_t pid = fork();if (pid == 0)                       // 子進程{printf("子進程開始運行...\n");sleep(5);printf("子進程即將退出\n");exit(0);}else                                // 父進程：非阻塞方式輪詢子進程狀態{int status;while (1){pid_t result = waitpid(pid, &status, WNOHANG);      // 非阻塞調用if (result == 0){// 子進程還未退出printf("父進程：子進程還在運行...\n");}else if (result == pid){// 子進程已經退出if (WIFEXITED(status)){printf("父進程：子進程正常退出，退出碼為 %d\n", WEXITSTATUS(status));}break;}else{perror("waitpid error");break;}sleep(1);                    // 輪詢間隔}}return 0;
}

實驗示例結果：

父進程：子進程還在運行...
父進程：子進程還在運行...
...
子進程開始運行...
子進程即將退出
父進程：子進程正常退出，退出碼為 0

4. 小結一句話

非阻塞輪詢是一種“智能等待”方式，讓父進程在等待子進程的同時，還能處理其他任務，是并發編程的常見技巧。

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5. 總結記憶點

內容	說明
為什么等待	防止僵尸進程，釋放系統資源，獲取子進程退出信息，確保系統穩定性和資源高效利用。
常用函數	wait()：阻塞等待任意子進程結束；waitpid()：靈活等待指定子進程，支持非阻塞模式。
狀態解析	使用宏函數 WIFEXITED() 判斷子進程是否正常退出，WEXITSTATUS() 獲取退出碼。
非阻塞輪詢	適用于父進程需要同時處理其他任務或監控多個子進程的場景，通過 waitpid() 配合 WNOHANG 實現。
推薦寫法	常用 waitpid(pid, &status, 0)，安全靈活，適合大多數場景。
注意事項	父進程必須回收子進程資源，否則會導致僵尸進程，長期不回收會耗盡系統資源。
適用場景	簡單程序使用阻塞等待，復雜程序或需要并發處理時使用非阻塞輪詢。

實戰技巧

1. 調試技巧：在調試時，若發現僵尸進程，檢查父進程是否正確調用了 wait() 或 waitpid()。
2. 性能優化：在高并發場景下，使用非阻塞輪詢避免父進程被長時間阻塞，提高系統響應速度。
3. 代碼健壯性：始終檢查 wait() 和 waitpid() 的返回值，處理可能的錯誤情況。

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