嵌入式Linux：如何監(jiān)視子進(jìn)程

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，父進(jìn)程通常需要創(chuàng)建子進(jìn)程來執(zhí)行特定任務(wù)，例如處理網(wǎng)絡(luò)請求、執(zhí)行計算任務(wù)等。

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wait()函數(shù)

wait()系統(tǒng)調(diào)用用于讓父進(jìn)程等待任意一個子進(jìn)程的終止，并獲取該子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)信息。

它執(zhí)行以下功能：

• 等待子進(jìn)程終止：父進(jìn)程在調(diào)用wait()后會阻塞，直到其任意一個子進(jìn)程終止為止。

• 回收子進(jìn)程資源：當(dāng)子進(jìn)程終止時，操作系統(tǒng)需要回收它占用的資源，這一過程稱為“收尸”。如果不進(jìn)行回收，子進(jìn)程會變?yōu)榻┦M(jìn)程，占用系統(tǒng)資源。

僵尸進(jìn)程是已經(jīng)終止，但父進(jìn)程尚未讀取其終止?fàn)顟B(tài)的子進(jìn)程。通過調(diào)用wait()可以避免系統(tǒng)中積累僵尸進(jìn)程，影響性能和穩(wěn)定性。

函數(shù)原型如下：

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>pid_t wait(int *status);

參數(shù)與返回值：

• status：這是一個指向int的指針，用于存儲子進(jìn)程的退出狀態(tài)。父進(jìn)程可以通過這個狀態(tài)了解子進(jìn)程是正常退出還是被信號中止的。如果傳入NULL，則表示不關(guān)心子進(jìn)程的退出狀態(tài)，僅僅是等待它終止。

• 返回值：返回已終止的子進(jìn)程的進(jìn)程ID；如果調(diào)用時沒有子進(jìn)程存在，wait()返回-1，并將errno設(shè)為ECHILD表示沒有子進(jìn)程可等待。

函數(shù)行為：

• 阻塞等待：wait()會阻塞調(diào)用進(jìn)程，直到任意一個子進(jìn)程終止。如果所有子進(jìn)程都還在運(yùn)行，wait()將持續(xù)阻塞。

• 資源回收：當(dāng)子進(jìn)程終止時，wait()除了獲取子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)，還會回收子進(jìn)程的資源，避免產(chǎn)生僵尸進(jìn)程。

• 處理已終止的子進(jìn)程：如果wait()調(diào)用時有子進(jìn)程已終止，函數(shù)將立即返回，而不會阻塞。

狀態(tài)檢查，使用宏可以檢查和處理status參數(shù)中存儲的子進(jìn)程終止?fàn)顟B(tài)：

• WIFEXITED(status)：如果子進(jìn)程是通過exit()或_exit()正常終止的，則返回true。

• WEXITSTATUS(status)：當(dāng)WIFEXITED(status)為true時，可以通過該宏獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)，通常是子進(jìn)程在調(diào)用exit()或_exit()時的退出碼。

• WIFSIGNALED(status)：如果子進(jìn)程因接收到某個信號而異常終止，則返回true。

• WTERMSIG(status)：當(dāng)WIFSIGNALED(status)為true時，可以通過該宏獲取導(dǎo)致子進(jìn)程終止的信號編號。

• WIFSTOPPED(status)：如果子進(jìn)程處于暫停狀態(tài)，則返回true。

• WSTOPSIG(status)：當(dāng)WIFSTOPPED(status)為true時，可以獲取導(dǎo)致子進(jìn)程暫停的信號編號。

• WCOREDUMP(status)：如果子進(jìn)程終止時生成了核心轉(zhuǎn)儲文件，則返回true。

以下示例展示了如何使用wait()函數(shù)來監(jiān)視子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)。

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h> int main() {    pid_t pid = fork();  // 創(chuàng)建子進(jìn)程     if (pid == -1) {        // fork()失敗        perror("fork failed");        exit(EXIT_FAILURE);    } else if (pid == 0) {        // 子進(jìn)程執(zhí)行代碼        printf("Child process running (PID: %d)...n", getpid());        sleep(2);  // 模擬子進(jìn)程的執(zhí)行        exit(42);  // 正常退出，并返回狀態(tài)碼42    } else {        // 父進(jìn)程執(zhí)行代碼        int status;        pid_t child_pid = wait(&status);  // 等待任一子進(jìn)程終止         if (child_pid > 0) {            // 子進(jìn)程終止后的處理            if (WIFEXITED(status)) {                printf("Child process %d terminated with status: %dn", child_pid, WEXITSTATUS(status));            } else if (WIFSIGNALED(status)) {                printf("Child process %d was terminated by signal: %dn", child_pid, WTERMSIG(status));            }        } else {            perror("wait failed");        }    }     return 0;}

在這段代碼中，父進(jìn)程創(chuàng)建了一個子進(jìn)程并等待其終止，同時通過status宏獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)。

wait()函數(shù)的局限性：

• 無法指定特定子進(jìn)程：wait()無法讓父進(jìn)程選擇等待某個特定的子進(jìn)程，它只能按順序等待下一個終止的子進(jìn)程。如果父進(jìn)程同時擁有多個子進(jìn)程，wait()將隨機(jī)處理任意一個子進(jìn)程的終止。

• 阻塞等待：wait()始終是阻塞的，直到有子進(jìn)程終止為止。如果父進(jìn)程需要繼續(xù)處理其他任務(wù)，則wait()的阻塞可能導(dǎo)致父進(jìn)程效率低下。

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waitpid()函數(shù)

waitpid()函數(shù)提供了更多的控制選項，使得父進(jìn)程可以選擇性地等待某個特定子進(jìn)程，或進(jìn)行非阻塞的等待。

函數(shù)原型如下：

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

參數(shù)：

• pid：指定需要等待的子進(jìn)程：

• > 0：等待指定PID的子進(jìn)程。

• = 0：等待與調(diào)用進(jìn)程同一進(jìn)程組的任意子進(jìn)程。

• < -1：等待進(jìn)程組ID等于pid絕對值的所有子進(jìn)程。

• = -1：等待任意子進(jìn)程，與wait()等價。

• status：與wait()的status參數(shù)相同。

• options：可以設(shè)置為0或包含以下標(biāo)志：

• WNOHANG：非阻塞模式。如果沒有子進(jìn)程終止，立即返回0。

• WUNTRACED：返回因信號停止的子進(jìn)程的狀態(tài)。

• WCONTINUED：返回收到SIGCONT信號后恢復(fù)運(yùn)行的子進(jìn)程的狀態(tài)。

返回值：

• 成功時，返回已終止或狀態(tài)已改變的子進(jìn)程的PID。

• 如果沒有符合條件的子進(jìn)程，且設(shè)置了WNOHANG選項，返回0。

• 失敗時返回-1，并設(shè)置errno。

waitpid()與wait()的區(qū)別：

• 等待特定子進(jìn)程：waitpid()允許父進(jìn)程通過pid參數(shù)指定特定的子進(jìn)程，而wait()只能等待任意子進(jìn)程。

• 非阻塞模式：waitpid()支持非阻塞模式（通過WNOHANG），使父進(jìn)程可以立即返回，而不必等待子進(jìn)程終止。

• 支持更多狀態(tài)監(jiān)控：waitpid()可以監(jiān)視子進(jìn)程暫停（WUNTRACED）或恢復(fù)運(yùn)行（WCONTINUED）的狀態(tài)，而wait()無法做到這一點(diǎn)。

示例代碼：

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h> int main() {    pid_t pid = fork();  // 創(chuàng)建子進(jìn)程     if (pid == -1) {        // fork()失敗        perror("fork failed");        exit(EXIT_FAILURE);    } else if (pid == 0) {        // 子進(jìn)程執(zhí)行代碼        printf("Child process running (PID: %d)...n", getpid());        sleep(2);  // 模擬子進(jìn)程工作        exit(42);  // 正常退出，返回狀態(tài)碼42    } else {        // 父進(jìn)程執(zhí)行代碼        int status;        pid_t child_pid;         // 非阻塞等待子進(jìn)程        do {            child_pid = waitpid(pid, &status, WNOHANG);  // 非阻塞模式            if (child_pid == 0) {                printf("No child process terminated yet. Doing other work...n");                sleep(1);  // 模擬其他工作            } else if (child_pid > 0) {                if (WIFEXITED(status)) {                    printf("Child process %d terminated with status: %dn", child_pid, WEXITSTATUS(status));                } else if (WIFSIGNALED(status)) {                    printf("Child process %d was terminated by signal: %dn", child_pid, WTERMSIG(status));                }            } else {                perror("waitpid failed");                exit(EXIT_FAILURE);            }        } while (child_pid == 0);         printf("Parent process continues...n");    }     return 0;}

在這個示例中，父進(jìn)程可以繼續(xù)處理其他任務(wù)，而不必一直阻塞等待子進(jìn)程的終止。waitpid()的非阻塞模式使得程序更為靈活和高效。 

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SIGCHLD信號

SIGCHLD是父進(jìn)程在子進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生變化（如終止或暫停）時收到的信號。通過捕獲SIGCHLD信號，父進(jìn)程可以實時地檢測到子進(jìn)程的狀態(tài)變化，并采取相應(yīng)的行動（例如回收資源）。

在POSIX標(biāo)準(zhǔn)下，sigaction()系統(tǒng)調(diào)用被廣泛用于設(shè)置信號處理程序。相比于傳統(tǒng)的signal()函數(shù)，sigaction()提供了更多的選項和更好的控制。

示例代碼：

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>#include <signal.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h> void sigchld_handler(int signum) {    int status;    pid_t pid;     // 循環(huán)調(diào)用waitpid，以確保處理多個已終止的子進(jìn)程    while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {        if (WIFEXITED(status)) {            printf("Child process %d terminated with status: %dn", pid, WEXITSTATUS(status));        } else if (WIFSIGNALED(status)) {            printf("Child process %d was terminated by signal: %dn", pid, WTERMSIG(status));        }    }} int main() {    struct sigaction sa;    sa.sa_handler = sigchld_handler;  // 指定信號處理函數(shù)    sigemptyset(&sa.sa_mask);  // 清空阻塞信號集    sa.sa_flags = SA_RESTART;  // 自動重啟被中斷的系統(tǒng)調(diào)用    sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);  // 安裝信號處理程序     for (int i = 0; i < 3; i++) {        pid_t pid = fork();  // 創(chuàng)建多個子進(jìn)程        if (pid == 0) {            // 子進(jìn)程代碼            printf("Child process %d running...n", getpid());            sleep(2);            exit(42);        }    }     // 父進(jìn)程的其他工作    while (1) {        printf("Parent process working...n");        sleep(1);    }     return 0;}

使用sigaction()的優(yōu)點(diǎn)：

• 自動重啟：通過設(shè)置SA_RESTART標(biāo)志，能夠在信號處理完成后自動重啟被中斷的系統(tǒng)調(diào)用（如read()、write()）。

• 可靠的信號處理：sigaction()避免了傳統(tǒng)signal()函數(shù)的缺陷，確保了信號處理的可靠性和可移植性。

SIGCHLD信號的常見問題與解決方案：

• 丟失信號：在同時終止多個子進(jìn)程時，可能會丟失一些SIGCHLD信號。為解決這一問題，可以在信號處理程序中循環(huán)調(diào)用waitpid()，直到?jīng)]有子進(jìn)程終止為止。

• 阻塞的系統(tǒng)調(diào)用：信號處理可能會中斷一些阻塞的系統(tǒng)調(diào)用（如read()或sleep()），導(dǎo)致它們返回錯誤。通過使用sigaction()的SA_RESTART標(biāo)志可以自動重啟被中斷的調(diào)用。

通過以上內(nèi)容，開發(fā)者可以根據(jù)實際需求選擇合適的方法來監(jiān)視和管理子進(jìn)程，確保程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和資源的有效利用。

• 如果只需等待任意一個子進(jìn)程終止且不關(guān)心特定子進(jìn)程，使用wait()是最簡單的選擇。

• 如果需要非阻塞地等待特定子進(jìn)程或需要獲取更多子進(jìn)程狀態(tài)信息，waitpid()則更為靈活。

• 在處理多個子進(jìn)程時，捕獲SIGCHLD信號可以讓父進(jìn)程更加實時地處理子進(jìn)程的終止，并在不中斷父進(jìn)程正常操作的情況下回收子進(jìn)程資源。

無論是使用wait()、waitpid()還是SIGCHLD信號處理，確保及時回收子進(jìn)程的資源是避免僵尸進(jìn)程的關(guān)鍵。