在 POSIX 系统中，进程管理中不太令人愉快的部分之一就是等待进程终止。自大约 15 年前 Python 3.3 中Popen.wait()^[1]添加了超时参数以来，标准库 subprocess 模块一直依赖于忙循环轮询（busy-loop polling）方法（参见源代码^[2]）。psutil 的Process.wait()^[3]方法也使用了完全相同的技术（参见源代码^[4]）。

逻辑很简单：检查进程是否已使用非阻塞方式退出waitpid(WNOHANG)，短暂休眠，再次检查，再休眠一段时间，依此类推。

import os, time

def wait_busy(pid, timeout):
    end = time.monotonic() + timeout
    interval = 0.0001
    while time.monotonic() < end:
        pid_done, _ = os.waitpid(pid, os.WNOHANG)
        if pid_done:
            return
        time.sleep(interval)
        interval = min(interval * 2, 0.04)
    raise TimeoutExpired

在这篇博文中，我将展示我是如何最终解决这个长期存在的效率低下问题的，首先是在 psutil 中，最令人兴奋的是，直接在 CPython 标准库 subprocess 模块中。

忙轮询的问题

• • CPU 唤醒：即使采用指数退避（从 0.1 毫秒开始，上限为 40 毫秒），系统仍会不断唤醒以检查进程状态，浪费 CPU 周期并耗尽电池电量。
• • 延迟：进程实际终止与检测到进程终止之间总是存在时间差。
• • 可扩展性：同时监控多个进程会放大上述所有问题。

事件驱动等待

所有 POSIX 系统都至少提供了一种机制，用于在文件描述符就绪时收到通知。这些机制包括select()^[5] 、 poll()^[6] 、 epoll()^[7] （Linux）和kqueue()^[8] （BSD/macOS）系统调用。直到最近，我一直认为它们只能用于引用套接字、管道等的文件描述符，但事实证明它们也可以用来等待进程 PID 上的事件！

Linux

2019 年，Linux 5.3 引入了一个新的系统调用  pidfd_open()^[9] ，Python 3.9 将其添加到了 os 模块中。它返回一个指向进程 PID 的文件描述符。有趣的是，pidfd_open() 可以与 select()、poll() 或 epoll() 结合使用，有效地等待进程退出。例如，可以使用 poll()：

import os, select

def wait_pidfd(pid, timeout):
    pidfd = os.pidfd_open(pid)
    poller = select.poll()
    poller.register(pidfd, select.POLLIN)
    # block until process exits or timeout occurs
    events = poller.poll(timeout * 1000)
    if events:
        return
    raise TimeoutError

这种方法完全避免了忙循环。内核会在进程终止时或等待超时时（进程 ID 仍然存活）唤醒我们。

我选择 poll() 而不是 select()，因为 select() 有历史文件描述符限制 (FD_SETSIZE)，通常每个进程最多只能有 1024 个文件描述符（这让我想起了BPO-1685000^[10] ）。

我选择poll()而不是epoll()，是因为它不需要创建额外的文件描述符。它也只需要一次系统调用，这在监控单个文件描述符时比监控多个文件描述符时效率更高。

macOS 和 BSD

源自 BSD 的系统（包括 macOS）提供了 kqueue() 系统调用。它在概念上类似于 select()、poll() 和 epoll()，但功能更强大（例如，它还可以处理普通文件）。kqueue() 可以直接接收进程 ID (PID) 参数，并在 PID 消失或超时后返回。

import select

def wait_kqueue(pid, timeout):
    kq = select.kqueue()
    kev = select.kevent(
        pid,
        filter=select.KQ_FILTER_PROC,
        flags=select.KQ_EV_ADD | select.KQ_EV_ONESHOT,
        fflags=select.KQ_NOTE_EXIT,
    )
    # block until process exits or timeout occurs
    events = kq.control([kev], 1, timeout)
    if events:
        return
    raise TimeoutError

Windows

由于 WaitForSingleObject 的贡献，Windows 在 psutil 和 subprocess 模块中都不会出现忙循环。这意味着 Windows 从一开始就有效地实现了事件驱动的进程等待。因此，这方面无需任何操作。

优雅的备选方案

pidfd_open() 和 kqueue() 都可能因不同的原因而失败。例如，EMFILE 会导致进程耗尽文件描述符（通常为 1024 个），EACCES / EPERM 会导致系统调用被系统管理员在系统级别显式阻塞（例如通过 SECCOMP）。在所有这些情况下，psutil 都会静默地回退到传统的忙循环轮询方式，而不是抛出异常。

这种快速路径带回退的方法与BPO-33671 的^[11]精神类似，我在 2018 年通过使用零拷贝系统调用加快了 shutil.copyfile() 的速度。在 BPO-33671 中，首先尝试更高效的 os.sendfile() 方法，如果失败（例如在网络文件系统上），则回退到传统的 read() / write() 方法来复制常规文件。

性能测试

作为一个简单的实验，这里有一个简单的程序，它会在不终止的情况下等待自身运行 10 秒钟：

# test.py
import psutil, os
try:
    psutil.Process(os.getpid()).wait(timeout=10)
except psutil.TimeoutExpired:
    pass

我们可以使用/usr/bin/time -v来测量 CPU 上下文切换。补丁之前（忙循环）：

$ /usr/bin/time -v python3 test.py 2>&1 | grep context
    Voluntary context switches: 258
    Involuntary context switches: 4

补丁之后（事件驱动方法）：

$ /usr/bin/time -v python3 test.py 2>&1 | grep context
    Voluntary context switches: 2
    Involuntary context switches: 1

这表明，进程不会在用户空间中循环，而是阻塞在 poll() / kqueue() 中，只有当内核通知它时才会被唤醒，从而只导致几次 CPU 上下文切换。

睡眠状态

值得注意的是，通过 poll()（或 kqueue()）进行等待会使进程进入与直接调用 time.sleep() 完全相同的睡眠状态。从内核的角度来看，两者都是可中断的睡眠：进程会被取消调度，不占用任何 CPU 资源，并静默地驻留在内核空间。

下面 ps 表示的 "S+" 状态表示该进程“在前台休眠”。

• • time.sleep()：

$ (python3 -c 'import time; time.sleep(10)' & pid=$!; sleep 0.3; ps -o pid,stat,comm -p $pid) && fg &>/dev/null
    PID STAT COMMAND
 491573 S+   python3

• • poll()：

$ (python3 -c 'import os,select; fd = os.pidfd_open(os.getpid(),0); p = select.poll(); p.register(fd,select.POLLIN); p.poll(10_000)' & pid=$!; sleep 0.3; ps -o pid,stat,comm -p $pid) && fg &>/dev/null
    PID STAT COMMAND
 491748 S+   python3

CPython 贡献

在 psutil 实现 ( psutil/PR-2706^[12] ) 之后，我更进一步，为 CPython subprocess 模块提交了一个匹配的拉取请求： cpython/PR-144047^[13] ，将于 2026 年的 Python 3.15 发布。

我对此感到特别自豪：这是 psutil 17 年多历史中第二次有功能被上游 Python 标准库采纳。第一次是在 2011 年，当时 psutil.disk_usage() 启发了shutil.disk_usage() 的^[14]开发（参见python-ideas ML 提案^[15]）。

有趣的是： 15 年前，Python 3.3 为 subprocess.Popen.wait() 添加了timeout参数（参见提交记录^[16]）。我大概就是从那里获得了灵感，在同一时间也为 psutil 的 Process.wait() 添加了timeout参数（参见提交记录^[17]）。现在，15 年过去了，我又为同一个timeout参数做出了类似的改进。真是兜了个圈。

https://gmpy.dev/blog/2026/event-driven-process-waiting

引用链接