用C語言學習wait函式｜用法、殭屍行程對策與waitpid差異

1. 前言

2. C 語言的wait函式是什麼？

wait函式概述

基本操作

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) {
        // 父行程
        wait(NULL); // 等待子行程結束
    } else if (pid == 0) {
        // 子行程
        printf("子行程傳來的訊息!\n");
    }
    return 0;
}

返回值與參數

• 返回值 子行程結束時，回傳其行程 ID。若發生錯誤，回傳-1。
• 參數 透過傳入int* status作為參數，可取得子行程的結束狀態。

3. wait函式的基本用法

簡單的程式碼範例

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) {
        int status;
        wait(&status); // 取得子行程的結束狀態
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("Child exited with status: %d
", WEXITSTATUS(status));
        }
    } else if (pid == 0) {
        printf("Child process running...
");
        _exit(0); // 子行程的結束
    }
    return 0;
}

範例程式碼說明

1. 使用 wait(&status) 等待子行程的結束。
2. 使用 WIFEXITED(status) 來確認子行程是否正常結束。
3. 使用 WEXITSTATUS(status) 取得子行程的結束代碼。

4. 殭屍行程與 wait 函式的關係

什麼是殭屍行程

殭屍行程的發生範例

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) {
        // 父行程什麼也不做，等待
        sleep(10);
    } else if (pid == 0) {
        // 子行程
        printf("子行程即將結束...
");
        _exit(0);
    }
    return 0;
}

wait 函式防止殭屍行程

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) {
        // 父行程
        wait(NULL); // 等待子行程結束以防止殭屍行程
        printf("父行程：子行程已被回收.
");
    } else if (pid == 0) {
        // 子行程
        printf("子行程即將結束...
");
        _exit(0);
    }
    return 0;
}

殭屍行程對策要點

1. 務必使用 wait 或 waitpid 透過適當回收子行程的結束狀態，可防止殭屍行程。
2. 利用訊號處理程序的方法 可捕捉 SIGCHLD 訊號，於子行程結束時自動回收。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void sigchld_handler(int signo) {
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0); // 回收所有已結束的子行程
}

int main() {
    signal(SIGCHLD, sigchld_handler); // 設定 SIGCHLD 的處理程序

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 子行程
        printf("子行程即將結束...
");
        _exit(0);
    } else if (pid > 0) {
        // 父行程
        printf("父行程執行其他工作...
");
        sleep(10); // 在其他工作期間觸發 SIGCHLD 處理程序
    }
    return 0;
}

5. waitpid函式的差異

waitpid函式是什麼？

基本用法與語法

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

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

• pid 指定要等待的子行程 ID。以下的特殊值可用來控制行為。
• pid > 0：指定特定的行程 ID 以等待。
• pid == 0：等待與父行程同一行程群組內的任一子行程。
• pid < -1：等待指定行程群組內的所有行程。
• pid == -1：等待任意子行程（wait函式相同）。
• status 用於存放子行程結束狀態的指標。
• options 指定改變行為的選項。主要值如下。
• WNOHANG：非阻塞模式。如果沒有已結束的子行程，會立即返回。
• WUNTRACED：也將處於停止狀態的子行程納入目標。
• 返回值
• 正常結束時：已結束子行程的 PID。
• 沒有子行程時：0（若指定 WNOHANG）。
• 發生錯誤時：-1。

waitpid函式範例

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid1 = fork();
    if (pid1 == 0) {
        // 子行程 1
        printf("子行程 1 正在執行...
");
        sleep(2);
        _exit(1);
    }

    pid_t pid2 = fork();
    if (pid2 == 0) {
        // 子行程 2
        printf("子行程 2 正在執行...
");
        sleep(4);
        _exit(2);
    }

    int status;
    // 等待特定的子行程 pid1
    pid_t ret = waitpid(pid1, &status, 0);
    if (ret > 0 && WIFEXITED(status)) {
        printf("子行程 1 結束，狀態碼: %d
", WEXITSTATUS(status));
    }

    // 等待剩餘的子行程
    waitpid(pid2, &status, 0);
    printf("子行程 2 結束，狀態碼: %d
", WEXITSTATUS(status));

    return 0;
}

wait與waitpid的主要差異

waitpid適用情況

• 想要管理特定子行程的情況 程式產生多個子行程，且需要個別控制時適用。
• 需要非同步處理的情況 想在不阻塞其他處理的情況下確認行程結束狀態時，WNOHANG選項很方便。

wait與waitpid的選擇指南

1. 簡單的程式 使用wait函式已足夠。只要等待任意子行程，則不需要彈性。
2. 複雜的行程管理 時，建議使用waitpid函式。特別是需要非同步處理或控制特定行程時，使用waitpid可更有效率地管理。

6. 多執行緒環境中的同步處理

程序同步與執行緒同步的差異

多執行緒環境中的同步處理

使用條件變數的同步基礎

條件變數的基本函式

• pthread_cond_wait 等待條件滿足為止。等待期間會釋放互斥鎖。
• pthread_cond_signal 喚醒一個正在等待的執行緒。
• pthread_cond_broadcast 喚醒所有正在等待的執行緒。

使用條件變數的同步範例

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

// 互斥鎖與條件變數的初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

int shared_data = 0;

void* producer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);

    printf("Producer: producing data...
");
    shared_data = 1;

    // 使用條件變數通知
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);

    // 等待條件滿足為止
    while (shared_data == 0) {
        printf("Consumer: waiting for data...
");
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }

    printf("Consumer: consumed data!
");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    // 建立執行緒
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
    sleep(1); // 讓消費者先等待的睡眠
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);

    // 等待執行緒結束
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    return 0;
}

範例程式碼說明

1. 互斥鎖的利用 使用 pthread_mutex_lock 與 pthread_mutex_unlock 來控制對共享資源的排他存取。
2. 條件變數的等待與通知

• 消費者執行緒會使用 pthread_cond_wait 等待 shared_data 更新。
• 生產者執行緒會使用 pthread_cond_signal 通知消費者執行緒。

1. 執行緒間的協調動作 實現了生產者產生資料，消費者接收資料的簡單流程。

執行緒同步的注意事項

• 防止死結 需要注意互斥鎖的鎖定與解鎖順序。
• 避免競爭條件 當執行緒同時嘗試修改條件時，需要正確結合條件變數與互斥鎖。
• 考慮可擴展性 為了在多執行緒間有效同步，需盡量減少不必要的等待與鎖定。

在多執行緒環境中使用 wait 函式的注意事項

7. 疑難排解與最佳實踐

常見錯誤與對策

1. wait函式回傳錯誤

• 子行程不存在的情況。
• 系統呼叫被中斷的情況（EINTR 錯誤）。

• 確認子行程是否存在。
• 若系統呼叫被中斷，則在迴圈中重新嘗試。

int status;
while (wait(&status) == -1) {
    if (errno != EINTR) {
        perror("等待失敗");
        break;
    }
}

2. 僵屍行程產生

• 父行程未回收子行程的結束。

• 在父行程中適當使用 wait 或 waitpid。
• 設定訊號處理程序，讓結束自動被回收。

3. 競爭條件導致的不穩定行為

• 多個父行程嘗試等待同一子行程的情況。
• 子行程的結束狀態未被正確回收。

• 若需明確指定行程 ID，請使用 waitpid。
• 設計時避免多個父行程同時管理同一子行程。

最佳實踐

1. wait 與 waitpid 的適當選擇

• 在簡單程式中 wait 已足夠。
• 在需要複雜行程管理（特定子行程的控制或非同步處理）時，使用 waitpid。

2. 訊號處理程序的活用

3. 錯誤處理的徹底

pid_t pid = wait(NULL);
if (pid == -1) {
    perror("等待錯誤");
}

4. 非同步處理的實作

• 不阻塞主流程，定期以 WNOHANG 方式呼叫 waitpid。
• 輪詢子行程的結束狀態，並在需要時回收。

int status;
pid_t pid;
while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {
    printf("子行程 %d 已終止。\n", pid);
}

5. 行程數量的管理

• 限制同時產生的子行程數量。
• 採用在子行程結束前不產生新行程的設計。

8. 常見問題（FAQ）

Q1: wait 函式如何在不使用的情況下防止僵屍行程？

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void handle_sigchld(int sig) {
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

int main() {
    signal(SIGCHLD, handle_sigchld);

    if (fork() == 0) {
        // 子行程
        _exit(0);
    }

    // 父行程的處理
    sleep(5);
    printf("Parent process completed.
");
    return 0;
}

Q2: 什麼情況下應該使用 waitpid？

• 只想等待特定的子行程時（指定 pid）。
• 想以非同步方式管理行程時（使用 WNOHANG 選項）。
• 想確認處於停止狀態的子行程時（使用 WUNTRACED 選項）。

Q3: 為何 wait 函式不返回值？

1. 子行程不存在。

• 行程可能已經結束，或 fork 失敗。

1. 系統呼叫被中斷（EINTR 錯誤）。

• 若因訊號中斷，請在迴圈中重新嘗試。

int status;
pid_t pid;
while ((pid = wait(&status)) == -1) {
    if (errno != EINTR) {
        perror("wait error");
        break;
    }
}

Q4: 在多執行緒程式中安全使用 wait 函式的方法？

• wait 在行程層級運作，若要在執行緒層級同步，請使用條件變數或互斥鎖。
• 子行程的管理通常限制在主執行緒較為安全。其他執行緒呼叫 wait 可能會導致未預期的行為。

Q5: 有 wait 函式的替代方案嗎？

• waitpid 函式 具備高度彈性，可控制特定行程。
• 訊號處理程序 以非同步方式處理子行程的結束。
• 事件驅動程式設計 也可以使用事件迴圈（例如 select 或 poll）來管理行程結束。

Q6: 若子行程無法結束，該如何處理？

1. 使用 WUNTRACED 選項確認處於停止中的子行程。
2. 視需要使用 kill 系統呼叫終止子行程。

Q7: wait 函式取得的結束狀態碼代表什麼？

• 正常結束：WIFEXITED(status) 為真時，可透過 WEXITSTATUS(status) 取得結束代碼。
• 異常結束：若因訊號結束，WIFSIGNALED(status) 為真，結束訊號可由 WTERMSIG(status) 取得。

int status;
wait(&status);
if (WIFEXITED(status)) {
    printf("Exited with code: %d
", WEXITSTATUS(status));
} else if (WIFSIGNALED(status)) {
    printf("Killed by signal: %d
", WTERMSIG(status));
}

Q8: 如何同時管理多個子行程？

pid_t pid;
int status;
while ((pid = waitpid(-1, &status, 0)) > 0) {
    printf("Child process %d exited.
", pid);
}

9. 總結

wait函式的基本

• wait函式是讓父行程等待子行程結束，並回收其結束狀態的系統呼叫。
• 使用 wait(NULL)，即可在不檢查結束狀態的情況下簡單地等待子行程。

應用與相關主題

• 僵屍行程對策 如果不回收子行程的結束狀態，會產生僵屍行程。適當使用 wait 或 waitpid 可防止此情況。
• waitpid函式 在需要指定特定子行程等待，或想執行非同步處理時，非常有用。
• 訊號處理程式 利用 SIGCHLD 訊號，即使父行程未明確呼叫 wait，也能自動回收結束狀態。

多執行緒環境的注意事項

• wait函式用於行程間的同步，但在執行緒層級的同步應使用條件變數或互斥鎖。
• 重要的是設計時避免多個執行緒同時呼叫 wait。

故障排除與最佳實踐

• 務必檢查 wait 與 waitpid 的返回值，並適當處理錯誤。
• 若需要非同步處理，可利用 WNOHANG 選項實現更有效的行程管理。
• 保持設計簡潔，避免不必要的行程產生與複雜的依賴關係。

接下來應學習的內容

• 行程間通訊（IPC） 使用管道、訊息佇列、共享記憶體進行資料交換的方法。
• 非同步程式設計 事件驅動程式設計與非同步 I/O 的活用方式。
• fork函式與行程產生的細節 子行程產生時的記憶體管理與行程分支行為。