（16）Linux 进程等待 wait/waitpid 的 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 $Z\rightarrow X$ ，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 $Z\rightarrow X$ 。

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: %d\n", 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: %d\n", 
                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。