系统调用跟我学之wait, waitpid函数

1.7 背景

在前面的文章中，我们已经了解了父进程和子进程的概念，并已经掌握了系统调用exit的用法，但可能很少有人意识到，在一个进程调用了exit之后，该进程并非马上就消失掉，而是留下一个称为僵尸进程（Zombie）的数据结构。在Linux进程的5种状态中，僵尸进程是非常特殊的一种，它已经放弃了几乎所有内存空间，没有任何可执行代码，也不能被调度，仅仅在进程列表中保留一个位置，记载该进程的退出状态等信息供其他进程收集，除此之外，僵尸进程不再占有任何内存空间。从这点来看，僵尸进程虽然有一个很酷的名字，但它的影响力远远抵不上那些真正的僵尸兄弟，真正的僵尸总能令人感到恐怖，而僵尸进程却除了留下一些供人凭吊的信息，对系统毫无作用。

也许读者们还对这个新概念比较好奇，那就让我们来看一眼Linux里的僵尸进程究竟长什么样子。

当一个进程已退出，但其父进程还没有调用系统调用wait（稍后介绍）对其进行收集之前的这段时间里，它会一直保持僵尸状态，利用这个特点，我们来写一个简单的小程序：

/* zombie.c */#include <sys/types.h>#include <unistd.h>main(){pid_t pid;pid=fork();if(pid<0)/* 如果出错 */printf("error occurred!\n");else if(pid==0) /* 如果是子进程 */exit(0);else/* 如果是父进程 */sleep(60);/* 休眠60秒，这段时间里，父进程什么也干不了 */wait(NULL);/* 收集僵尸进程 */}

sleep的作用是让进程休眠指定的秒数，在这60秒内，子进程已经退出，而父进程正忙着睡觉，不可能对它进行收集，这样，我们就能保持子进程60秒的僵尸状态。

编译这个程序：

$ cc zombie.c -o zombie

后台运行程序，以使我们能够执行下一条命令

$ ./zombie &[1] 1577

列一下系统内的进程

$ ps -ax...  ... 1177 pts/0    S      0:00 -bash 1577 pts/0    S      0:00 ./zombie 1578 pts/0    Z      0:00 [zombie <defunct>] 1579 pts/0    R      0:00 ps -ax

看到中间的"Z"了吗？那就是僵尸进程的标志，它表示1578号进程现在就是一个僵尸进程。

我们已经学习了系统调用exit，它的作用是使进程退出，但也仅仅限于将一个正常的进程变成一个僵尸进程，并不能将其完全销毁。僵尸进程虽然对其他进程几乎没有什么影响，不占用CPU时间，消耗的内存也几乎可以忽略不计，但有它在那里呆着，还是让人觉得心里很不舒服。而且Linux系统中进程数目是有限制的，在一些特殊的情况下，如果存在太多的僵尸进程，也会影响到新进程的产生。那么，我们该如何来消灭这些僵尸进程呢？

先来了解一下僵尸进程的来由，我们知道，Linux和UNIX总有着剪不断理还乱的亲缘关系，僵尸进程的概念也是从UNIX上继承来的，而UNIX的先驱们设计这个东西并非是因为闲来无聊想烦烦其他的程序员。僵尸进程中保存着很多对程序员和系统管理员非常重要的信息，首先，这个进程是怎么死亡的？是正常退出呢，还是出现了错误，还是被其它进程强迫退出的？其次，这个进程占用的总系统CPU时间和总用户CPU时间分别是多少？发生页错误的数目和收到信号的数目。这些信息都被存储在僵尸进程中，试想如果没有僵尸进程，进程一退出，所有与之相关的信息都立刻归于无形，而此时程序员或系统管理员需要用到，就只好干瞪眼了。

那么，我们如何收集这些信息，并终结这些僵尸进程呢？就要靠我们下面要讲到的waitpid调用和wait调用。这两者的作用都是收集僵尸进程留下的信息，同时使这个进程彻底消失。下面就对这两个调用分别作详细介绍。

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1.8 wait

1.8.1 简介

wait的函数原型是：

#include <sys/types.h> /* 提供类型pid_t的定义 */#include <sys/wait.h>pid_t wait(int *status)

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。

参数status用来保存被收集进程退出时的一些状态，它是一个指向int类型的指针。但如果我们对这个子进程是如何死掉的毫不在意，只想把这个僵尸进程消灭掉，（事实上绝大多数情况下，我们都会这样想），我们就可以设定这个参数为NULL，就象下面这样：

pid = wait(NULL);

如果成功，wait会返回被收集的子进程的进程ID，如果调用进程没有子进程，调用就会失败，此时wait返回-1，同时errno被置为ECHILD。

1.8.2 实战

下面就让我们用一个例子来实战应用一下wait调用，程序中用到了系统调用fork，如果你对此不大熟悉或已经忘记了，请参考上一篇文章《进程管理相关的系统调用（一）》。

/* wait1.c */#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>main(){pid_t pc,pr;pc=fork();if(pc<0) /* 如果出错 */printf("error ocurred!\n");else if(pc==0){/* 如果是子进程 */ printf("This is child process with pid of %d\n",getpid());sleep(10);/* 睡眠10秒钟 */}else{/* 如果是父进程 */pr=wait(NULL);/* 在这里等待 */printf("I catched a child process with pid of %d\n"),pr);}exit(0);}

编译并运行:

$ cc wait1.c -o wait1$ ./wait1This is child process with pid of 1508I catched a child process with pid of 1508

可以明显注意到，在第2行结果打印出来前有10秒钟的等待时间，这就是我们设定的让子进程睡眠的时间，只有子进程从睡眠中苏醒过来，它才能正常退出，也就才能被父进程捕捉到。其实这里我们不管设定子进程睡眠的时间有多长，父进程都会一直等待下去，读者如果有兴趣的话，可以试着自己修改一下这个数值，看看会出现怎样的结果。

1.8.3 参数status

如果参数status的值不是NULL，wait就会把子进程退出时的状态取出并存入其中，这是一个整数值（int），指出了子进程是正常退出还是被非正常结束的（一个进程也可以被其他进程用信号结束，我们将在以后的文章中介绍），以及正常结束时的返回值，或被哪一个信号结束的等信息。由于这些信息被存放在一个整数的不同二进制位中，所以用常规的方法读取会非常麻烦，人们就设计了一套专门的宏（macro）来完成这项工作，下面我们来学习一下其中最常用的两个：

1，WIFEXITED(status) 这个宏用来指出子进程是否为正常退出的，如果是，它会返回一个非零值。

（请注意，虽然名字一样，这里的参数status并不同于wait唯一的参数--指向整数的指针status，而是那个指针所指向的整数，切记不要搞混了。）

2，WEXITSTATUS(status) 当WIFEXITED返回非零值时，我们可以用这个宏来提取子进程的返回值，如果子进程调用exit(5)退出，WEXITSTATUS(status)就会返回5；如果子进程调用exit(7)，WEXITSTATUS(status)就会返回7。请注意，如果进程不是正常退出的，也就是说，WIFEXITED返回0，这个值就毫无意义。

下面通过例子来实战一下我们刚刚学到的内容：

/* wait2.c */#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>main(){int status;pid_t pc,pr;pc=fork();if(pc<0)/* 如果出错 */printf("error ocurred!\n");else if(pc==0){/* 子进程 */printf("This is child process with pid of %d.\n",getpid());exit(3);/* 子进程返回3 */}else{/* 父进程 */pr=wait(&status);if(WIFEXITED(status)){/* 如果WIFEXITED返回非零值 */printf("the child process %d exit normally.\n",pr);printf("the return code is %d.\n",WEXITSTATUS(status));}else/* 如果WIFEXITED返回零 */printf("the child process %d exit abnormally.\n",pr);}}

编译并运行:

$ cc wait2.c -o wait2$ ./wait2This is child process with pid of 1538.the child process 1538 exit normally.the return code is 3.

父进程准确捕捉到了子进程的返回值3，并把它打印了出来。

当然，处理进程退出状态的宏并不止这两个，但它们当中的绝大部分在平时的编程中很少用到，就也不在这里浪费篇幅介绍了，有兴趣的读者可以自己参阅Linux man pages去了解它们的用法。

1.8.4 进程同步

有时候，父进程要求子进程的运算结果进行下一步的运算，或者子进程的功能是为父进程提供了下一步执行的先决条件（如：子进程建立文件，而父进程写入数据），此时父进程就必须在某一个位置停下来，等待子进程运行结束，而如果父进程不等待而直接执行下去的话，可以想见，会出现极大的混乱。这种情况称为进程之间的同步，更准确地说，这是进程同步的一种特例。进程同步就是要协调好2个以上的进程，使之以安排好地次序依次执行。解决进程同步问题有更通用的方法，我们将在以后介绍，但对于我们假设的这种情况，则完全可以用wait系统调用简单的予以解决。请看下面这段程序：

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>main(){pid_t pc, pr;int status;pc=fork();if(pc<0)printf("Error occured on forking.\n");else if(pc==0){/* 子进程的工作 */exit(0);}else{/* 父进程的工作 */pr=wait(&status);/* 利用子进程的结果 */}}

这段程序只是个例子，不能真正拿来执行，但它却说明了一些问题，首先，当fork调用成功后，父子进程各做各的事情，但当父进程的工作告一段落，需要用到子进程的结果时，它就停下来调用wait，一直等到子进程运行结束，然后利用子进程的结果继续执行，这样就圆满地解决了我们提出的进程同步问题。

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1.9 waitpid

1.9.1 简介

waitpid系统调用在Linux函数库中的原型是：

#include <sys/types.h> /* 提供类型pid_t的定义 */#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：

pid

从参数的名字pid和类型pid_t中就可以看出，这里需要的是一个进程ID。但当pid取不同的值时，在这里有不同的意义。

1. pid>0时，只等待进程ID等于pid的子进程，不管其它已经有多少子进程运行结束退出了，只要指定的子进程还没有结束，waitpid就会一直等下去。
2. pid=-1时，等待任何一个子进程退出，没有任何限制，此时waitpid和wait的作用一模一样。
3. pid=0时，等待同一个进程组中的任何子进程，如果子进程已经加入了别的进程组，waitpid不会对它做任何理睬。
4. pid<-1时，等待一个指定进程组中的任何子进程，这个进程组的ID等于pid的绝对值。

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);

如果使用了WNOHANG参数调用waitpid，即使没有子进程退出，它也会立即返回，不会像wait那样永远等下去。

而WUNTRACED参数，由于涉及到一些跟踪调试方面的知识，加之极少用到，这里就不多费笔墨了，有兴趣的读者可以自行查阅相关材料。

看到这里，聪明的读者可能已经看出端倪了--wait不就是经过包装的waitpid吗？没错，察看<内核源码目录>/include/unistd.h文件349-352行就会发现以下程序段：

static inline pid_t wait(int * wait_stat){return waitpid(-1,wait_stat,0);}

1.9.2 返回值和错误

waitpid的返回值比wait稍微复杂一些，一共有3种情况：

1. 当正常返回的时候，waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
2. 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；
3. 如果调用中出错，则返回-1，这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；

当pid所指示的子进程不存在，或此进程存在，但不是调用进程的子进程，waitpid就会出错返回，这时errno被设置为ECHILD；

/* waitpid.c */#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>main(){pid_t pc, pr;pc=fork();if(pc<0)/* 如果fork出错 */printf("Error occured on forking.\n");else if(pc==0){/* 如果是子进程 */sleep(10);/* 睡眠10秒 */exit(0);}/* 如果是父进程 */do{pr=waitpid(pc, NULL, WNOHANG);/* 使用了WNOHANG参数，waitpid不会在这里等待 */if(pr==0){/* 如果没有收集到子进程 */printf("No child exited\n");sleep(1);}}while(pr==0);/* 没有收集到子进程，就回去继续尝试 */if(pr==pc)printf("successfully get child %d\n", pr);elseprintf("some error occured\n");}

编译并运行：

$ cc waitpid.c -o waitpid$ ./waitpidNo child exitedNo child exitedNo child exitedNo child exitedNo child exitedNo child exitedNo child exitedNo child exitedNo child exitedNo child exitedsuccessfully get child 1526

父进程经过10次失败的尝试之后，终于收集到了退出的子进程。

因为这只是一个例子程序，不便写得太复杂，所以我们就让父进程和子进程分别睡眠了10秒钟和1秒钟，代表它们分别作了10秒钟和1秒钟的工作。父子进程都有工作要做，父进程利用工作的简短间歇察看子进程的是否退出，如退出就收集它。

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1.10 exec

也许有不少读者从本系列文章一推出就开始读，一直到这里还有一个很大的疑惑：既然所有新进程都是由fork产生的，而且由fork产生的子进程和父进程几乎完全一样，那岂不是意味着系统中所有的进程都应该一模一样了吗？而且，就我们的常识来说，当我们执行一个程序的时候，新产生的进程的内容应就是程序的内容才对。是我们理解错了吗？显然不是，要解决这些疑惑，就必须提到我们下面要介绍的exec系统调用。

1.10.1 简介

说是exec系统调用，实际上在Linux中，并不存在一个exec()的函数形式，exec指的是一组函数，一共有6个，分别是：

#include <unistd.h>int execl(const char *path, const char *arg, ...);int execlp(const char *file, const char *arg, ...);int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);int execv(const char *path, char *const argv[]);int execvp(const char *file, char *const argv[]);int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

其中只有execve是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数。

exec函数族的作用是根据指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。这里的可执行文件既可以是二进制文件，也可以是任何Linux下可执行的脚本文件。

与一般情况不同，exec函数族的函数执行成功后不会返回，因为调用进程的实体，包括代码段，数据段和堆栈等都已经被新的内容取代，只留下进程ID等一些表面上的信息仍保持原样，颇有些神似"三十六计"中的"金蝉脱壳"。看上去还是旧的躯壳，却已经注入了新的灵魂。只有调用失败了，它们才会返回一个-1，从原程序的调用点接着往下执行。

现在我们应该明白了，Linux下是如何执行新程序的，每当有进程认为自己不能为系统和拥护做出任何贡献了，他就可以发挥最后一点余热，调用任何一个exec，让自己以新的面貌重生；或者，更普遍的情况是，如果一个进程想执行另一个程序，它就可以fork出一个新进程，然后调用任何一个exec，这样看起来就好像通过执行应用程序而产生了一个新进程一样。

事实上第二种情况被应用得如此普遍，以至于Linux专门为其作了优化，我们已经知道，fork会将调用进程的所有内容原封不动的拷贝到新产生的子进程中去，这些拷贝的动作很消耗时间，而如果fork完之后我们马上就调用exec，这些辛辛苦苦拷贝来的东西又会被立刻抹掉，这看起来非常不划算，于是人们设计了一种"写时拷贝（copy-on-write）"技术，使得fork结束后并不立刻复制父进程的内容，而是到了真正实用的时候才复制，这样如果下一条语句是exec，它就不会白白作无用功了，也就提高了效率。

1.10.2 稍稍深入

上面6条函数看起来似乎很复杂，但实际上无论是作用还是用法都非常相似，只有很微小的差别。在学习它们之前，先来了解一下我们习以为常的main函数。

下面这个main函数的形式可能有些出乎我们的意料：

int main(int argc, char *argv[], char *envp[])

它可能与绝大多数教科书上描述的都不一样，但实际上，这才是main函数真正完整的形式。

参数argc指出了运行该程序时命令行参数的个数，数组argv存放了所有的命令行参数，数组envp存放了所有的环境变量。环境变量指的是一组值，从用户登录后就一直存在，很多应用程序需要依靠它来确定系统的一些细节，我们最常见的环境变量是PATH，它指出了应到哪里去搜索应用程序，如/bin；HOME也是比较常见的环境变量，它指出了我们在系统中的个人目录。环境变量一般以字符串"XXX=xxx"的形式存在，XXX表示变量名，xxx表示变量的值。

值得一提的是，argv数组和envp数组存放的都是指向字符串的指针，这两个数组都以一个NULL元素表示数组的结尾。

我们可以通过以下这个程序来观看传到argc、argv和envp里的都是什么东西：

/* main.c */int main(int argc, char *argv[], char *envp[]){printf("\n### ARGC ###\n%d\n", argc);printf("\n### ARGV ###\n");while(*argv)printf("%s\n", *(argv++));printf("\n### ENVP ###\n");while(*envp)printf("%s\n", *(envp++));return 0;}

编译它：

$ cc main.c -o main

运行时，我们故意加几个没有任何作用的命令行参数：

$ ./main -xx 000### ARGC ###3### ARGV ###./main-xx000### ENVP ###PWD=/home/leiREMOTEHOST=dt.laser.comHOSTNAME=localhost.localdomainQTDIR=/usr/lib/qt-2.3.1LESSOPEN=|/usr/bin/lesspipe.sh %sKDEDIR=/usrUSER=leiLS_COLORS=MACHTYPE=i386-redhat-linux-gnuMAIL=/var/spool/mail/leiINPUTRC=/etc/inputrcLANG=en_USLOGNAME=leiSHLVL=1SHELL=/bin/bashHOSTTYPE=i386OSTYPE=linux-gnuHISTSIZE=1000TERM=ansiHOME=/home/leiPATH=/usr/local/bin:/bin:/usr/bin:/usr/X11R6/bin:/home/lei/bin_=./main

我们看到，程序将"./main"作为第1个命令行参数，所以我们一共有3个命令行参数。这可能与大家平时习惯的说法有些不同，小心不要搞错了。

现在回过头来看一下exec函数族，先把注意力集中在execve上：

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

对比一下main函数的完整形式，看出问题了吗？是的，这两个函数里的argv和envp是完全一一对应的关系。execve第1个参数path是被执行应用程序的完整路径，第2个参数argv就是传给被执行应用程序的命令行参数，第3个参数envp是传给被执行应用程序的环境变量。

留心看一下这6个函数还可以发现，前3个函数都是以execl开头的，后3个都是以execv开头的，它们的区别在于，execv开头的函数是以"char *argv[]"这样的形式传递命令行参数，而execl开头的函数采用了我们更容易习惯的方式，把参数一个一个列出来，然后以一个NULL表示结束。这里的NULL的作用和argv数组里的NULL作用是一样的。

在全部6个函数中，只有execle和execve使用了char *envp[]传递环境变量，其它的4个函数都没有这个参数，这并不意味着它们不传递环境变量，这4个函数将把默认的环境变量不做任何修改地传给被执行的应用程序。而execle和execve会用指定的环境变量去替代默认的那些。

还有2个以p结尾的函数execlp和execvp，咋看起来，它们和execl与execv的差别很小，事实也确是如此，除execlp和execvp之外的4个函数都要求，它们的第1个参数path必须是一个完整的路径，如"/bin/ls"；而execlp和execvp的第1个参数file可以简单到仅仅是一个文件名，如"ls"，这两个函数可以自动到环境变量PATH制定的目录里去寻找。

1.10.3 实战

知识介绍得差不多了，接下来我们看看实际的应用：

/* exec.c */#include <unistd.h>main(){char *envp[]={"PATH=/tmp","USER=lei","STATUS=testing",NULL};char *argv_execv[]={"echo", "excuted by execv",NULL};char *argv_execvp[]={"echo", "executed by execvp", NULL};char *argv_execve[]={"env", NULL};if(fork()==0)if(execl("/bin/echo", "echo", "executed by execl", NULL)<0)perror("Err on execl");if(fork()==0)if(execlp("echo", "echo", "executed by execlp", NULL)<0)perror("Err on execlp");if(fork()==0)if(execle("/usr/bin/env", "env", NULL, envp)<0)perror("Err on execle");if(fork()==0)if(execv("/bin/echo", argv_execv)<0)perror("Err on execv");if(fork()==0)if(execvp("echo", argv_execvp)<0)perror("Err on execvp");if(fork()==0)if(execve("/usr/bin/env", argv_execve, envp)<0)perror("Err on execve");}

程序里调用了2个Linux常用的系统命令，echo和env。echo会把后面跟的命令行参数原封不动的打印出来，env用来列出所有环境变量。

由于各个子进程执行的顺序无法控制，所以有可能出现一个比较混乱的输出--各子进程打印的结果交杂在一起，而不是严格按照程序中列出的次序。

编译并运行：

$ cc exec.c -o exec$ ./execexecuted by execlPATH=/tmpUSER=leiSTATUS=testingexecuted by execlpexcuted by execvexecuted by execvpPATH=/tmpUSER=leiSTATUS=testing

果然不出所料，execle输出的结果跑到了execlp前面。

大家在平时的编程中，如果用到了exec函数族，一定记得要加错误判断语句。因为与其他系统调用比起来，exec很容易受伤，被执行文件的位置，权限等很多因素都能导致该调用的失败。最常见的错误是：

1. 找不到文件或路径，此时errno被设置为ENOENT；
2. 数组argv和envp忘记用NULL结束，此时errno被设置为EFAULT；
3. 没有对要执行文件的运行权限，此时errno被设置为EACCES。

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1.11 进程的一生

下面就让我用一些形象的比喻，来对进程短暂的一生作一个小小的总结：

随着一句fork，一个新进程呱呱落地，但它这时只是老进程的一个克隆。

然后随着exec，新进程脱胎换骨，离家独立，开始了为人民服务的职业生涯。

人有生老病死，进程也一样，它可以是自然死亡，即运行到main函数的最后一个"}"，从容地离我们而去；也可以是自杀，自杀有2种方式，一种是调用exit函数，一种是在main函数内使用return，无论哪一种方式，它都可以留下遗书，放在返回值里保留下来；它还甚至能可被谋杀，被其它进程通过另外一些方式结束他的生命。

进程死掉以后，会留下一具僵尸，wait和waitpid充当了殓尸工，把僵尸推去火化，使其最终归于无形。

这就是进程完整的一生。

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1.12 小结

本文重点介绍了系统调用wait、waitpid和exec函数族，对与进程管理相关的系统调用的介绍就在这里告一段落，在下一篇文章，也是与进程管理相关的系统调用的最后一篇文章中，我们会通过两个很酷的实际例子，来重温一下最近学过的知识。