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Linux进程调度与等待：背后的机制与实现

news 来源：原创 2025/5/17 23:14:53

前言：

当一个进程发起某种操作（如I/O请求、信号、锁的获取等），但该操作需要的资源暂时不可用时，进程会被操作系统挂起，进入“等待队列”或“阻塞状态”。在此期间，进程不占用CPU，但仍保留其内存、文件描述符等资源

在这里插入图片描述

进程等待的必要性

僵尸进程的存在

僵尸进程的成因

当子进程终止后，它的退出状态需要由父进程通过调用 wait() 或 waitpid() 系统调用回收。
如果父进程未回收子进程的退出状态，子进程会以“僵尸进程”的形式保留在进程表中。

特征：

在 Linux 系统中，可以用 ps 命令查看，僵尸进程的状态为 Z（Zombie）。
僵尸进程是操作系统保留的一个条目，主要用于父进程检查子进程的退出状态。

如下：

在这里插入图片描述

从图片中可以看到一个典型的 僵尸进程 的现象：

进程 27864 被强制终止（kill -9 27864），但它的父进程（27863）没有调用 wait() 或 waitpid() 来回收其子进程的退出状态。
因此，27864 被标记为 <defunct> 状态，即僵尸进程。
ps 输出的 STAT 列中显示 Z+，这是僵尸进程的状态标识。

进程等待

进程等待是操作系统中一种重要的状态，指的是某个进程由于资源不足或条件未满足，暂时无法继续执行而被挂起的现象。

使用 wait() 或 waitpid() 回收子进程

wait ( )

参数：

```
int *status：
```
- 用于保存子进程的状态信息（如退出码或终止信号）。
- 如果不需要获取子进程状态，可以将其传入 NULL。

返回值：

成功：
- 返回已终止的子进程的 PID。
失败：
- 返回 -1，并设置 errno。
- 常见错误包括：
  - ECHILD：当前进程没有子进程。
  - EINTR：调用被信号中断。

`wait()` 的作用

阻塞父进程：
- wait() 会阻塞父进程，直到任意一个子进程状态发生变化（通常是终止）。
回收子进程资源：
- 子进程终止后，其资源仍然保留在系统中，直到父进程调用 wait() 或 waitpid() 回收它。
- 如果父进程不调用 wait() 或 waitpid()，子进程会变成 僵尸进程。

示例：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>using namespace std;void childtast()
{for(int i = 0; i < 10; i++) // 循环打印从 0 到 9 的数字{cout << i << endl; // 输出当前的循环变量 i}sleep(3); // 睡眠 3 秒，模拟子进程的运行延迟
}int main()
{pid_t id = fork(); // 创建子进程cout << "id" << ":" << id << endl;if(id == 0) // 判断是否是子进程{sleep(3); // 子进程先睡眠 3 秒childtast(); // 子进程调用 childtast()，打印数字并睡眠}// 父进程等待任意一个子进程终止pid_t ret = wait(NULL); // 父进程调用 wait()，阻塞等待子进程终止if(ret == id) // 判断 wait() 返回的进程 ID 是否是创建的子进程 ID{cout << "ret" << ":" << ret << endl; // 输出子进程的 IDcout << "wait success" << endl; // 输出等待成功的消息}sleep(3); // 父进程再睡眠 3 秒，模拟延迟return 0;
}

fork() 创建子进程：

父进程和子进程同时运行。
父进程的 id 是子进程的 PID，子进程的 id 是 0。

子进程的任务：

子进程先睡眠 3 秒，然后执行 childtast()，打印 0 到 9。

父进程的等待：

父进程调用 wait(NULL)，阻塞自身，直到子进程终止。
当子进程完成任务并退出后，wait() 返回子进程的 PID。

父进程的后续操作：

父进程输出子进程的PID和等待成功的消息。
父进程再睡眠 3 秒后退出。

waitpid ( )

waitpid() 是 wait() 的增强版本，提供了更灵活的功能，允许父进程：

等待特定的子进程。
非阻塞等待子进程。
获取子进程的状态（如退出状态或被信号终止）。

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

参数说明

pid：
- pid > 0：等待特定的子进程（指定的 PID）。
- pid == 0：等待与当前进程同一个进程组的任意子进程。
- pid < -1：等待进程组 ID 为 |pid| 的任意子进程。
```
wait(NULL) //等价于 waitpid(-1,NULL,0); 
```
- pid == -1：等效于 wait()，等待任意子进程。

`status` 字段的结构

status：

指向一个整数的指针，用于存储子进程的状态信息（退出状态、信号等）。
若不关心状态信息，可将其设为 NULL。

在 Linux 系统中，status 是一个整数，表示子进程状态的多种可能性，底层通过位字段表示：

位字段	含义
位 0-7	子进程退出的信号或退出码（低 8 位）。
位 8-15	退出状态（高 8 位，存储正常退出码）。
位 16-23	暂停信号编号。

代码解析字段

#include<iostream> 
#include<unistd.h> 
#include<sys/types.h> 
#include<sys/wait.h> 
using namespace std;
int main()
{    pid_t id = fork();    cout << "id" << ":" << id <<endl;    if(id == 0)    {    sleep(3);    exit(1);       }    int status;    pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);                                     if(ret == id)    {cout << "ret" << ":" << ret <<endl;    cout<< "wait success" <<endl;    }    cout <<"status :" << status << endl;cout << "退出码" << ((status >> 8)& 0xff ) <<" "<< "信号码" << (status & 0x7f)<< endl;return 0;
}

完整运行流程

fork() 创建子进程：

父进程创建子进程，并返回子进程的 PID。

子进程逻辑：

子进程休眠 3 秒后正常退出，退出码为 1。

父进程逻辑：

父进程调用 waitpid() 阻塞等待子进程终止。
获取子进程的状态信息，并解析退出码和信号码。

父进程输出状态信息：

输出子进程的 PID、状态值、退出码和信号码。

解析逻辑：

退出码：
```
(status >> 8) & 0xff
```
- 获取高 8 位的退出码。

信号码：

status & 0x7f

获取低 7 位的信号码.

示例1：进程正常退出的退出码。

在这里插入图片描述

示例2：提取被9号信号杀死的进程信号码

在这里插入图片描述

id:1667          // 父进程输出，子进程的 PID 是 1667
id:0             // 子进程输出，表明当前是子进程
ret:1667         // 父进程成功等待到子进程结束，返回子进程 PID
wait success     // 父进程确认子进程终止
status :9        // 父进程获取子进程状态值为 9
退出码0 信号码9   // 父进程解析状态值：// - 退出码 0：子进程未通过 exit() 返回退出码// - 信号码 9：子进程被 SIGKILL 信号终止

库中提供的宏替换

解析退出码和信号编号

WIFEXITED(status)：
- 如果为真，表示子进程正常退出，其退出码存储在高 8 位。
- 使用 (status >> 8) & 0xff 提取退出码。
WEXITSTATUS(status)：
- 获取退出码的宏，等价于 (status >> 8) & 0xff。
- 必须确保 WIFEXITED(status) 为真后使用。

解析退出码和信号编号

WIFEXITED(status)
- 如果为真，表示子进程正常退出，其退出码存储在高 8 位。
- 使用 (status >> 8) & 0xff 提取退出码。
WEXITSTATUS(status)：== status & 0x7f
- 获取退出码的宏，
- 必须确保 WIFEXITED(status) 为真后使用。

`options`参数介绍

阻塞与非阻塞

特性	阻塞	非阻塞
进程状态	等待资源时挂起，无法执行其他任务。	立即返回，不会挂起，进程可执行其他任务。
适用场景	简单任务、对实时性要求不高的任务。	多任务并发、实时性要求高的任务。
复杂性	实现简单，逻辑清晰。	逻辑复杂，需要轮询或回调处理资源状态。
CPU 使用	不浪费 CPU 资源，进程处于挂起状态。	需要轮询资源状态，可能增加 CPU 占用。
资源管理	等待资源的管理交由操作系统处理。	需要程序主动检查资源状态，增加开发复杂度。

options：

用于指定额外的选项：
- 0：阻塞等待。
- WNOHANG：非阻塞等待。
- WUNTRACED：返回暂停的子进程状态（子进程因 SIGSTOP 信号暂停）。
- WCONTINUED：返回恢复运行的子进程状态（子进程因 SIGCONT 信号继续运行）。

`WNOHANG`

非阻塞模式：
- 如果没有子进程终止，waitpid() 会立即返回，而不是阻塞父进程。
返回值：
- 如果有子进程状态变化，则返回子进程的 PID。
- 如果没有子进程状态变化，则返回 0。

非阻塞轮询

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <chrono>
#include <thread>
using namespace std;
int main() {pid_t pid = fork(); // 创建子进程if (pid == 0) {// 子进程逻辑cout << "Child process running..." << endl;sleep(5); // 模拟子进程任务，延迟 5 秒cout << "Child process exiting..." << endl;exit(42); // 子进程以退出码 42 正常退出} else if (pid > 0) {// 父进程逻辑int status;while (true) {pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞检查子进程状态if (ret == 0) {// 子进程尚未终止，父进程继续其他工作cout << "Child process still running. Parent doing other work..." << endl;this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // 模拟父进程任务} else if (ret > 0) {// 子进程已终止，解析状态if (WIFEXITED(status)) {cout << "Child process " << ret << " exited with code " << WEXITSTATUS(status) << endl;} else if (WIFSIGNALED(status)) {cout << "Child process " << ret << " was terminated by signal " << WTERMSIG(status) << endl;}break; // 结束轮询} else {// waitpid 出错perror("waitpid failed");break;}}} else {// fork 失败perror("fork failed");return 1;}return 0;
}

执行结果：

在这里插入图片描述

多进程下的进程等待

阻塞等待多个子进程

示例代码：等待所有子进程完成

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;int main() {// 创建多个子进程for (int i = 0; i < 3; ++i) {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") running..." << endl;sleep(2 + i); // 每个子进程休眠不同时间cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") exiting..." << endl;exit(i); // 子进程以其序号为退出码}}// 父进程：等待所有子进程完成int status;while (true) {pid_t ret = wait(&status); // 阻塞等待任意一个子进程结束if (ret == -1) {// 没有子进程可等待时退出循环cout << "All child processes have finished." << endl;break;// 解析子进程状态if (WIFEXITED(status)) {cout << "Child process " << ret << " exited with code: " << WEXITSTATUS(status) << endl;} else if (WIFSIGNALED(status)) {cout << "Child process " << ret << " was terminated by signal: " << WTERMSIG(status) << endl;}}return 0;
}

代码执行：

在这里插入图片描述

非阻塞轮询等待多个子进程

示例代码：非阻塞等待多个子进程

通过 waitpid() 配合 WNOHANG 实现父进程的非阻塞轮询，定期检查是否有子进程完成。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <chrono>
#include <thread>
using namespace std;int main() {// 创建多个子进程for (int i = 0; i < 3; ++i) {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") running..." << endl;sleep(2 + i); // 每个子进程休眠不同时间cout << "Child " << i << " (PID: " << getpid() << ") exiting..." << endl;exit(i); // 子进程以其序号为退出码}}// 父进程：非阻塞轮询等待所有子进程完成int status;int completed = 0; // 已完成的子进程计数while (completed < 3) {pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞检查子进程状态if (ret > 0) {// 有子进程状态变化completed++;if (WIFEXITED(status)) {cout << "Child process " << ret << " exited with code: " << WEXITSTATUS(status) << endl;} else if (WIFSIGNALED(status)) {cout << "Child process " << ret << " was terminated by signal: " << WTERMSIG(status) << endl;}} else if (ret == 0) {// 没有子进程状态变化，父进程继续其他工作cout << "No child process exited yet. Parent doing other work..." << endl;this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // 模拟其他任务} else {// 错误处理perror("waitpid failed");break;}}cout << "All child processes have finished." << endl;return 0;
}

代码执行：

在这里插入图片描述

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编程日记 2025/5/13 11:42:42

基于RIP的MGRE实验

实验拓扑实验要求按照图示配置IP地址配置静态路由协议，搞通公网配置MGRE VPNNHRP的配置配置RIP路由协议来传递两端私网路由测试全网通实验配置 1、配置IP地址 [R1]int g0/0/0 [R1-GigabitEthernet0/0/0]ip add 15.0.0.1 24 [R1]int LoopBack 0 [R1-LoopBack0]i…...

编程日记 2025/5/12 21:59:19

Spring Boot 中的事件发布与监听：深入理解 ApplicationEventPublisher（附Demo）

目录前言1. 基本知识2. Demo3. 实战代码前言 🤟 找工作，来万码优才：👉 #小程序://万码优才/r6rqmzDaXpYkJZF 基本的Java知识推荐阅读： java框架零基础从入门到精通的学习路线附开源项目面经等（超全&am…...

编程日记 2025/5/14 15:43:36

【Java基础-41.5】深入解析Java异常链：构建清晰的错误追踪体系

在Java编程中，异常处理是保证程序健壮性和可维护性的重要部分。然而，在实际开发中，异常往往不是孤立发生的，而是由一系列相关的异常引发的。为了更好地理解和处理这种复杂的异常场景，Java引入了异常链（Exc…...

编程日记 2025/5/14 21:46:13

STM32使用VScode开发

文章目录 Makefile形式创建项目新建stm项目下载stm32cubemx新建项目IED makefile保存到本地arm gcc是编译的工具链G++配置编译Cmake +vscode +MSYS2方式bilibiliMSYS2 统一环境配置mingw32-make -> makewindows环境变量Cmake CmakeListnijia 编译输出elfCMAKE_GENERATOR查询…...

编程日记 2025/5/12 2:48:05

特权模式docker逃逸

目录 1.环境 2.上线哥斯拉 3.特权模式逃逸 1.判断是否为docker环境 2.判断是否为特权模式 3.挂载宿主机磁盘到docker 4.计划任务反弹shell 1.环境 ubuntu部署一个存在CVE-2017-12615的docker: (ip:192.168.117.147) kali(ip:192.168.117.128) 哥斯拉 2.上线哥斯拉…...

编程日记 2025/5/12 2:48:04

装出字符串中国第一个匹配项的下标

hello 大家好！今天开写一个新章节，每一天一道算法题。让我们一起来学习算法思维吧！ function strStr(haystack, needle) {return haystack.indexOf(needle); }// 测试示例 const haystack "sadbutsad"; const needle "sad&q…...

编程日记 2025/5/12 17:40:50

从腾讯云数据仓库TCHouse安全地转移数据到AWS Redshift

实现从AWS Direct Connect连接到腾讯云数据仓库TCHouse-P、TCHouse-C或TCHouse-D，然后使用AWS Glue读取数据并在AWS Redshift中创建对应表并复制数据，需要按照以下步骤进行操作： 网络连接设置 AWS Direct Connect配置： 在AWS管理…...

编程日记 2025/5/6 15:48:04