Linux进程控制

Linux进程控制

文章目录

进程创建

fork函数初识写时拷贝fork常规用法fork调用失败的原因 进程终止

进程退出场景进程退出码进程正常退出return、exit和_exit之间的区别与联系进程异常退出 进程等待

进程等待必要性进程等待的方法

wait方法waitpid方法 获取子进程status多进程创建以及等待基于非阻塞接口的轮询检测方案 进程程序替换

替换原理替换函数函数解释命名理解 做一个简易的shell

进程创建 fork函数初识

在Linux中，fork函数是非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

返回值：
在子进程中返回0，父进程中返回子进程的PID，子进程创建失败返回-1。

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

分配新的内存块和内核数据结构给子进程。将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程。添加子进程到系统进程列表当中。fork返回，开始调度器调度。

fork之后，父子进程代码共享。例：

运行结果如下

从运行结果可以看出Before只执行了一次由父进程创建，且Before是在fork（）之前创建的，After执行了两次，有父子进程创建，是在fork（）之后创建的，从中可以看出fork之前父进程独立执行，而fork之后父子两个执行流分别执行。

注意： fork之后，父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定。

fork在子进程中返回0，父进程返回子进程id这是为什么呢？

一个父进程能创建多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程。因而子进程能很好的找到父进程，父进程不易找到子进程。在实际应用中需要父进程指派子进程执行任务，只有父进程知道子进程的ID才能下达命令。

fork函数的功能

写时拷贝

通常情况下父子代码共享，父子在不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图

关于写实拷贝的一些问题

为什么数据要进行写时拷贝？

进程具有独立性。多进程运行时，需要独享各种资源，运行期间互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程。

为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？

子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝，我们应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间。

代码会不会进行写时拷贝？

大部分情况下是不会的，但这并不代表代码不能进行写时拷贝，例如在进行进程替换的时候，则需要进行代码的写时拷贝。

fork常规用法

一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。 fork调用失败的原因

系统中有太多的进程，内存空间不足。实际用户的进程数超过了限制。 进程终止 进程退出场景

进程退出有三种场景

代码运行完毕，结果正确代码运行完毕，结果不正确代码异常终止 进程退出码

当代码运行起来就变成进程，当进程结束后main函数的返回值实际上就是该进程的进程退出码，我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息。

例：

退出码如下

退出码为0时表示正常终止，为非0时表示异常终止，对应的数字表示不同的错误。
C语言当中的strerror函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：

运行代码后我们就可以看到各个错误码所对应的错误信息：

注意： 退出码都有对应的字符串含义，帮助用户确认执行失败的原因，而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的，不同环境下相同的退出码的字符串含义可能不同。

进程正常退出

return退出

我们常在main函数中使用return退出进程。

exit函数

exit函数可以在代码中的任何地方退出进程，exit函数在退出进程前会完成以下工作：

（1）执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数。
（2）关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入。
（3）调用_exit函数终止进程。

例：

运行结果

_exit函数

_exit函数也可以在代码中的任何地方退出进程，但是_exit函数会直接终止进程，并不会在退出进程前会做任何收尾工作。

例：

运行结果

return、exit和_exit之间的区别与联系

区别：

return只有在main函数中才能起到退出进程的作用，在子函数当中的作用是退出该子函数。exit函数和_exit函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用。

exit函数退出进程前会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等 *** 作，然后再终止进程，而_exit函数会直接终止进程，不会做任何收尾工作。

联系：

执行return num等同于执行exit(num)，因为调用main函数运行结束后，会将main函数的返回值当做exit的参数来调用exit函数。

使用exit函数退出进程前的最后一个步骤是调用_exit函数终止进程。

进程异常退出

向进程发生信号导致进程异常退出。

在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出，或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。

代码错误导致进程运行时异常退出。

代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出，或是出现除0的情况使得进程运行时异常退出等。

进程等待 进程等待必要性

子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。进程一旦变成僵尸状态，就很难被回收，连kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。父进程需要知道指派给子进程的任务完成的如何。父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息。

进程等待的方法 wait方法

函数： pid_t wait(int* status);
作用： 等待任意子进程。
返回值： 成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。
参数： 输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。

例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0){
		//child
		int count = 5;
		while(count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%dn", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0){
		//wait success
		printf("wait child success...n");
		if(WIFEXITED(status)){
			//exit normal
			printf("exit code:%dn", WEXITSTATUS(status));
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

我们可以使用以下函数对其监控

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "#################";sleep 1;done

运行结果如下

waitpid方法

函数： pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
作用： 等待指定子进程或任意子进程。
返回值：
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；
参数：

pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。status:输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。options:设置为WNOHANG时，若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。

例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child          
		int count = 10;
		while (count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%dn", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father           
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if (ret >= 0){
		//wait success                    
		printf("wait child success...n");
		if (WIFEXITED(status)){
			//exit normal                                 
			printf("exit code:%dn", WEXITSTATUS(status));
		}
		else{
			//signal killed                              
			printf("killed by siganl %dn", status & 0x7F);
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

运行结果

在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。

注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

获取子进程status

上面使用的函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由 *** 作系统进行填充。
如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则， *** 作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）

在status的低16比特位当中，高8位表示进程的退出状态，即退出码。进程若是被信号所杀，则低7位表示终止信号，而第8位比特位是core dump标志。

我们通过位 *** 作，得到进程的退出码和退出信号。

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号

对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。

WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。

exitNormal = WIFEXITED(status);  //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  //获取退出码

注意： 当一个进程非正常退出，被信号所杀时，那么该进程的退出码也就没有意义了。

多进程创建以及等待

我们还可以同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出。

例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	pid_t ids[10];
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		pid_t id = fork();
		if (id == 0){
			//child
			printf("child process created successfully...PID:%dn", getpid());
			sleep(3);
			exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
		}
		//father
		ids[i] = id;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
		if (ret >= 0){
			//wait child success
			printf("wiat child success..PID:%dn", ids[i]);
			if (WIFEXITED(status)){
				//exit normal
				printf("exit code:%dn", WEXITSTATUS(status));
			}
			else{
				//signal killed
				printf("killed by signal %dn", status & 0x7F);
			}
		}
	}
	return 0;
}

运行结果

基于非阻塞接口的轮询检测方案

上述所给例子中，当子进程未退出时，父进程都在一直等待子进程退出，在等待期间，父进程不能做任何事情，这种等待叫做阻塞等待。

我们可以让父进程不要一直等待子进程退出，而是在子进程未退出期间做一些自己的事情，当子进程退出时再读取子进程的退出信息，即非阻塞等待。

实现方法：
向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG，这样一来，等待的子进程若是没有结束，那么waitpid函数将直接返回0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的pid。

例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child
		int count = 3;
		while (count--){
			printf("child do something...PID:%d, PPID:%dn", getpid(), getppid());
			sleep(3);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	while (1){
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
		if (ret > 0){
			printf("wait child success...n");
			printf("exit code:%dn", WEXITSTATUS(status));
			break;
		}
		else if (ret == 0){
			printf("father do other things...n");
			sleep(1);
		}
		else{
			printf("waitpid error...n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

运行结果：

进程程序替换 替换原理

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。
当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。

问题：

当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？

进程程序替换后，该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变，只有进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，并没有创建新的进程，且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。

子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？

子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，意味着子进程需要对其数据和代码进行写入 *** 作，需要将子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，父子进程的代码和数据就分离了，并不会影响父进程的代码和数据。

替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数：

int execl(const char *path, const char *arg, …);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例：

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

int execlp(const char *file, const char *arg, …);

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例：

execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

int execle(const char *path, const char *arg, …, char *const envp[]);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例：

char* myenvp[] = { "MYVAL=2022", NULL };
execle("/usr/bin/ls", "ls","-a", NULL, myenvp);

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例：

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例：

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例：

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2022", NULL };
execve("/usr/bin/ls", myargv, myenvp);

函数解释

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。如果调用出错则返回-1，exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。 命名理解

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。

l(list) : 表示参数采用列表v(vector) : 参数用数组p(path) : 有p自动搜索环境变量PATHe(env) : 表示自己维护环境变量

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,对其进行封装重载。
execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。

下图exec函数族 一个完整的例子：

做一个简易的shell

shell也就是命令行解释器，其运行原理就是：当有命令需要执行时，shell创建子进程，让子进程执行命令，而shell只需等待子进程退出即可。

运行流程图：

写一个shell，需要循环以下过程：

获取命令行解析命令行建立一个子进程（fork）替换子进程（execvp）父进程等待子进程退出（wait）

实现代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define LEN 1024 //命令最大长度
#define NUM 32 //命令拆分后的最大个数
int main()
{
	char cmd[LEN]; //存储命令
	char* myargv[NUM]; //存储命令拆分后的结果
	char hostname[32]; //主机名
	char pwd[128]; //当前目录
	while (1){
		//获取命令提示信息
		struct passwd* pass = getpwuid(getuid());
		gethostname(hostname, sizeof(hostname)-1);
		getcwd(pwd, sizeof(pwd)-1);
		int len = strlen(pwd);
		char* p = pwd + len - 1;
		while (*p != '/'){
			p--;
		}
		p++;
		//打印命令提示信息
		printf("[%s@%s %s]$ ", pass->pw_name, hostname, p);
		//读取命令
		fgets(cmd, LEN, stdin);
		cmd[strlen(cmd) - 1] = '';
		//拆分命令
		myargv[0] = strtok(cmd, " ");
		int i = 1;
		while (myargv[i] = strtok(NULL, " ")){
			i++;
		}
		pid_t id = fork(); //创建子进程执行命令
		if (id == 0){
			//child
			execvp(myargv[0], myargv); //child进行程序替换
			exit(1); //替换失败的退出码设置为1
		}
		//shell
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); //shell等待child退出
		if (ret > 0){
			printf("exit code:%dn", WEXITSTATUS(status)); //打印child的退出码
		}
	}
	return 0;
}