Linux---进程控制

最新推荐文章于 2023-03-29 08:18:34 发布

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1. 进程创建

fork函数

在linux 中 fork 函数时非常重要的函数， 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。

#include <unistd.h>//头文件

pid_t fork(void);//pid_t 为返回值类型，是OS一种数据结构，为整形
返回值：子进程返回0，父进程返回子进程id，出错返回-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之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

写时拷贝

为了实现进程的独立性，子进程被创建后也应该有自己的代码和数据！可是一般而言，我们没有加载过程，也就是说，子进程没有自己的代码和数据！！所以，子进程只能使用“父进程的代码和数据”。

代码：都是不可被写的，只能读取，所以父子共享，没有问题！

数据：可能被修改，所以，必须分离！

如何分离： 通常，父子代码共享，父子再不写入时，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：

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
实际用户的进程数超过了限制

2. 进程终止

2.1 进程终止时，操作系统做了什么

OS释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码，本质就是释放系统资源。

2.2 进程终止的常见方式

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(即代码没跑完，程序崩溃了)

main函数return返回值意义

我们知道，当代码运行完毕，不管结果正确与否，都会执行main函数最后的return语句，那么return 0有什么意义呢？一定要是0吗？能不能是1,2,3，...这些数字？

main函数返回值的意义是返回给上一级进程，用来评判该进程执行结果用的，可以忽略。0表示退出码。0：success(正常退出)；非0：表示运行结果不正确。下面简单用Linux演示一下：

可以用 echo $? 查看最近一次进程的退出码

接下来我们查看一下Linux系统给的进程退出码方案：

我们可以使用系统提供的退出码和含义，但是，如果你想要自己定义，也可以自己设计一套退出方案(但是不建议)

2.3 进程正常终止方法

1.调用exit
2.调用_exit
3. 从main返回

_exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

说明：虽然 status 是 int ，但是仅有低 8 位可以被父进程所用。所以 _exit(-1) 时，在终端执行 $? 发现返回值是255 。

exit函数

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

_exit 和 exit 的区别

_exit是系统接口，exit是库函数。并且exit最后也会调用_exit，但是在调用_exit之前，exit函数会关闭所有打开的流，并把缓冲数据全部写入。请看下面简单的例子：

int main()
{
    printf("hello world!\n");
    sleep(3);
    //这里不管用exit还是_exit结果都是先打印再休眠3秒，因为\n会刷新缓冲区数据
}

如果我们把打印语句中 \n 去掉，即不刷新缓冲区数据，结果会有什么不同？

return退出

return是一种更常见的退出进程方法。执行 return n 等同于执行 exit(n), 因为调用 main 的运行时函数会将 main 的返回值当做 exit 的参数。

return和exit区别 是一个是语句一个是函数，而且return只有在main函数才退出进程，在其他函数则退出函数，exit在任何函数都是退出进程。

3. 进程等待

3.1 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。
另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的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。
最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。
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

3.2 进程等待的方法

3.2.1 wait方法

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

pid_t wait(int*status);

返回值：
   成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
参数：
   输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL

3.2.2 waitpid方法

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

返回值：
   当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
   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；
   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：
     Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
     Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
  status:
     WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）
     WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
  options:
     WNOHANG: 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。

 将wait演示代码中：
    pit_t ret = wait(NULL);
 改为：
    pid_t ret = waitpid(id,NULL,0);//id即子进程id,option为0，表示阻塞等待
效果是一样的。

我们运行看看子进程退出码：

上述结果是为什么呢？我们来了解一下status参数：

获取子进程status

wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
否则，操作系统会根据该参数，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）：

上图可以发现：status次低8位表示子进程退出状态，低7位表示子进程收到的退出信号(即判断是否正常退出)。代码演示如下：

当然，我们也可以用上述status定义的宏获取退出码：

非阻塞式等待

之前我们都是options设为0，表示阻塞式等待，如果需要非阻塞等待，那么要将options设为WNOHANG，(WNOHANG是宏定义，表示1)

非阻塞式等待：父进程通过调用waitpid来进行等待，如果子进程没有退出，waitpid这个系统调用，立马返回。

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

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt--)
        {
            printf("我是子进程:%d\n",cnt);
            sleep(1);
        }
        exit(55);//55仅为了测试，无意义
    }
    else
    {
        //父进程
        int quit = 0;
        while(!quit)
        {
            int status = 0;
            pid_t res = waitpid(-1,&status,WNOHANG);//以非阻塞方式等待
            if(res > 0)
            {
                //等待成功 && 子进程退出
                printf("等待子进程退出成功，退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
                quit = 1;
            }
            else if(res == 0)
            {
                //等待成功 && 但子进程并未退出
                printf("子进程还在运行中，暂未退出，父进程可以等等，先做其他事！\n");
            }
            else
            {
                //等待失败
                printf("wait 失败!\n");
                quit = 1;
            }
            sleep(1);
        }
    }
}

4. 进程程序替换

4.1 什么是进程程序替换

我们知道，当我们fork()之后，父子进程各自执行父进程代码的一部分，那么如果我们想要子进程执行一个全新的程序呢？这就需要进程的程序替换来完成这个功能。

程序替换：通过特定的接口，加载磁盘上的一个全新的程序（代码和数据），加载到调用进程的地址空间中，让子进程执行其他程序。

4.2 替换原理

原理：新程序被加载到物理内存中，进程PCB指向的虚拟地址空间通过页表重新与物理内存建立映射关系。

4.3 如何进程程序替换

我们用七种以exec开头的替换函数替换程序,统称exec函数：

#include <unistd.h>//以下替换函数都是这个头文件

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

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
所以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PATH

e(env) : 表示自己维护环境变量

看到这么多函数是不是头都大了，没关系，其实它们都很相似，具体怎么用接下来会介绍。

4.3.1 不创建子进程替换

先介绍一下 execl 函数：

接下来举个例子演示一下：

首先，我们知道，在Linux下，诸如 ls 这种指令也是进程，所以我们就替换成 ls 程序，先找到 ls 路径：

接下来演示代码：

程序替换后，原来后面代码(即上面例子中第二个printf)不会执行原因：

execl是程序替换，调用该函数成功之后，会将当前进程的所有的代码和数据都进行替换！包括以及执行和没有执行的代码！所以，一旦调用成功，后续所有代码，全部不会执行。这也是execl函数只有调用失败返回值，没有调用成功返回值的原因！

4.3.2 创建子进程替换

execv：

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

我们发现，execv于execl效果一样，只是传参方式有区别。

execlp:

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

exexlp带p表示不需要写路径，该函数会自己搜索环境变量PATH。

execvp:

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

结合execv与execlp,我们不难理解，execvp表示自动搜索环境变量PATH且传参为数组形式。

至于带e的函数，只是在最后加上要传的环境变量罢了。我们说进程具有独立性，但是环境变量却可以继承，其实就是这里传参：

实际上，只有execve是系统调用接口，其他6个函数都是系统提供的基本封装，用于满足不同的调用场景。