Linux系统进阶-进程控制

最新推荐文章于 2025-03-25 20:24:05 发布

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本文深入讲解Linux系统中的进程控制概念，包括进程创建、终止、等待和替换等方面的知识。重点介绍了fork()函数的工作原理、进程退出的多种方式及其背后的机制、进程等待的方法以及进程替换的具体实现。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

Linux系统进阶-进程控制

1. 进程创建

fork()函数初识

在Linux系统中，fork()函数是非常重要的函数，它从一个已存在的进程中创建一个新进程。即在父进程当中创建一个子进程。

函数返回值：

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()，当控制转移到内核的fork代码后，内核会

重新分配一个内存块和内核数据结构给子进程；
将父进程部分数据结构上的内容拷贝至紫禁城的内核数据结构，即子进程的task_struct、mm_struct；
添加子进程到系统的调度队列中；
fork()函数返回，调度器开始调度。

fork之后，父子进程代码共享。例如：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
printf("Before: PID is %d\n", getpid());
pid_t id = fork();
if(id == -1)
{
	printf("fork error\n");
	exit(1);
}

printf("After: PID is %d, PPID is %d, id is %d\n", getpid(), getppid(), id);
sleep(1);
return 0;
}
运行结果如下：

这里可以看到，Before只输出了一次，而After输出了两次。其中，Before是由父进程打印的，而调用fork函数之后打印的两个After，则分别由父进程和子进程两个进程执行。也就是说，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，父进程和子进程的执行顺序由调度器决定

fork()函数的返回值

fork()函数为什么要给子进程返回0？给父进程返回子进程的PID?

一个父进程可以创建多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程。因此，对于子进程来说，父进程是不需要被标识的；而对于父进程来说，子进程是需要被标识的，因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的，父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程指派任务,并且回收子进程。

fork()函数为什么会有两个返回值？

父进程调用fork函数后，为了创建子进程，fork函数内部将会进行一系列操作，包括创建子进程的进程控制块、创建子进程的进程地址空间、创建子进程对应的页表等等。子进程创建完毕后，操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表当中，此时子进程便创建完毕了。

也就是说，在fork函数内部执行return语句之前，子进程就已经创建完毕了，那么之后的return语句不仅父进程需要执行，子进程也同样需要执行，这就是fork函数有两个返回值的原因。

写时拷贝

当子进程刚刚被创建时，子进程和父进程的数据和代码是共享的，即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时，才将父进程的数据在内存当中拷贝一份，然后再进行修改。

这种在需要进行数据修改时再进行拷贝的技术，称为写时拷贝技术。

为什么数据要进行写时拷贝？

进程间具有独立性。多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不影响，不能让子进程的修改影响到子进程。
资源的有限，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），本质是为了高效的使用内存空间，提高内存的使用效率。这也是为什么不在子进程创建好之后就进行写时拷贝。

代码会不会进行写实拷贝？

90%的情况下是不会的，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()的常规用法

一个进程希望复制自己，使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

fork函数创建子进程也可能会失败，有以下两种情况：

系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。

本质上是进程间具有竞争性，并且进程也有优先级，但是资源是有限的，所以子进程会创建失败。

实际用户的进程数超过了限制，子进程创建失败。

2. 进程终止

进程退出场景

进程退出只有三情况：

代码运行完毕，结果正确
代码运行完毕，结果错误
代码终止异常（进程崩溃）

进程退出码

我们都知道main函数是代码的入口，但实际上main函数只是用户级别代码的入口，main函数也是被其他函数调用的，例如在VS2013当中main函数就是被一个名为__tmainCRTStartup的函数所调用，而__tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统所调用的，也就是说main函数是间接性被操作系统所调用的。

既然main函数是间接性被操作系统所调用的，那么当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息，而这个所谓的退出信息就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回，我们一般以0表示代码成功执行完毕，以非0表示代码执行过程中出现错误，这就是为什么我们都在main函数的最后返回0的原因。

当我们的代码运行起来就变成了进程，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。

当代码运行结束后，我们可以查改该进程的退出码。这是可以确定主函数已经顺利执行完毕。

我们可以改变主函数的返回值，但是一般我们把进程退出码为0作为函数顺利执行且结果正确。那么为什么0代表代码执行成功，以非0代表代码执行错误？

原因是代码执行完毕，结果只有一种情况，正确或者错误。结果正确是一种，但是结果错误的原因就有很多了，例如内存空间不足、非法访问等等。通过这些非0的数来判断我们代码执行错误的原因。

我们可以通过一个函数来查看进程退出码：
#include<stdio.h>
#include<string.h>

int main()
{
  for(int i = 0 ; i <150; i++){
	printf("[%3d]  %s\n", i, strerror(i));
  }
  return 0;
}
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

在主函数中使用return语句退出进程是我们常用的方法。

exit()函数

使用exit函数退出进程也是我们常用的方法，exit函数可以在代码中的任何地方退出进程，并且exit函数在退出进程前会做一系列工作：

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

_exit()函数

使用_exit函数退出进程的方法我们并不经常使用，_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。

return、exit和_exit之间的区别与联系

**区别：**只有在main函数当中的return才能起到退出进程的作用，子函数当中return不能退出进程，而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。

使用exit函数退出进程前，exit函数会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，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，exit函数会先执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再调用_exit函数终止进程。

进程终止后，OS做了什么？

释放该进程的曾经申请的PCB，释放申请的内存，从各种队列等数据结构中移除。

3. 进程等待

什么是进程等待

父进程等待子进程退出，获取子进程退出返回值，释放子进程资源，避免产生僵尸进程。

进程等待的必要性

子进程退出，父进程如果不读取子进程的退出信息，子进程就会变成僵尸进程，进而造成内存泄漏。
进程一旦变成僵尸进程，那么就算是kill -9命令也无法将其杀死，因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。
对于一个进程来说，最关心自己的就是其父进程，因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
父进程需要通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息。

获取子进程的status

如何获取子进程的状态信息，我们使用wait()和waitpid()函数

都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。
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，操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是一个整型变量，但status不能简单的当作整型来看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具体细节如下（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。

我们通过一系列位操作，就可以根据status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

需要注意的是，当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。

进程等待的方法

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

例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

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

int main()
{
  pid_t id = fork();
  if(id == 0){
	// child
	int count = 10;
	while(count--){
	  printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
	  sleep(1);
	}
	exit(0);
  }

  // father
  int status = 0;
  pid_t ret = wait(&status);
  if(ret > 0){
	// wait success
	printf("wait success!\n");
	if(WIFEXITED(status)){
	  printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
	}
  }

  sleep(3);
  return 0;
}

这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。

在子进程运行期间，父进程在阻塞式等待。

父子进程谁先运行不确定，但是在wait之后，大部分情况下子进程先退出，父进程读取完子进程的退出信息后再退出。

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。

如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
如果不存在该子进程，则立即出错返回。

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

int main()
{
  pid_t id = fork();
  if(id == 0){
	// child
	int count = 10;
	while(count--){
	  printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
	  sleep(1);
	}
	exit(0);
  }

  // father
  int status = 0;
  pid_t ret = wait(&status);
  if(ret > 0){
	// wait success
	printf("wait success!\n");
	if(WIFEXITED(status)){
	  printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
	}
	else{
	  printf("killed by %d siganl\n", status & 0x7f);
	}
  }

  sleep(3);
  return 0;
}

在子进程运行期间，使用kill -9将子进程杀死，这时父进程也能成功等待子进程。

但是，父进程成功等待子进程并不代表子进程运行结果正确，只能说明子进程退出了。

多进程创建以及等待的代码模型

上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子，实际上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，这叫做多进程创建以及等待的代码模型。

例如，以下代码中同时创建了10个子进程，同时将子进程的pid放入到ids数组当中，并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标，之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
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:%d\n", 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:%d\n", ids[i]);
			if (WIFEXITED(status)){
				//exit normal
				printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
			}
			else{
				//signal killed
				printf("killed by signal %d\n", status & 0x7F);
			}
		}
	}
	return 0;
}

运行结果如下：

基于非阻塞接口的轮询等待方案

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。

实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出，而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情，当子进程退出时再读取子进程的退出信息，即非阻塞等待。

做法很简单，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。

例如，父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数，若是等待的子进程尚未退出，则父进程可以先去做一些其他事，过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child
		int count = 3;
		while (count--){
			printf("child do something...PID:%d, PPID:%d\n", 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:%d\n", WEXITSTATUS(status));
			break;
		}
		else if (ret == 0){
			printf("father do other things...\n");
			sleep(1);
		}
		else{
			printf("waitpid error...\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

运行结果如下：

4. 进程替换

替换原理

用fork创建子进程后，子进程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），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec函数。

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，并从新程序的启动例程开始执行。

当发生进程替换的时候，有没有创建新的进程？

进程程序替换之后，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，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而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，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。（进程的独立性）

替换函数

替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：

// 1. 
int execl(const char *path, const char *arg, ...);

// 2.
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

// 3.
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

// 4.
int execv(const char *path, char *const argv[]);

// 5.
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

*********************************************************************************
// 6.
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，则加载指定的程序并从启动代码开始执行，不再返回。
如果调用出错，则返回-1。

也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。

命名理解

这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：

l(list)：表示参数采用列表的形式，一一列出。
v(vector)：表示参数采用数组的形式。
p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找。
e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量。

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变量
execl	列表	否	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	否	否，需自己组装环境变量
execv	数组	否	是
execvp	数组	是	是
execve	数组	否	否，需自己组装环境变量

事实上，只有execve才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的execve，所以execve在man手册的第2节，而其它五个函数在man手册的第3节，也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。

下图为exec系列函数族之间的关系：

我们动手操作一下，简单的一个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。

其实shell需要执行的逻辑非常简单，其只需循环执行以下步骤：

获取命令行。
解析命令行。
创建子进程。
替换子进程。
等待子进程退出。

其中，创建子进程使用fork函数，替换子进程使用exec系列函数，等待子进程使用wait或者waitpid函数。

于是我们可以很容易实现一个简易的shell，代码如下：

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

#define LEN 1024
#define NUM 32

int main()
{
  char cmd[LEN];
  char *myarg[NUM];

  while(1){
	printf("[qiao@my-centos_mc dir]# ");
	fgets(cmd, LEN, stdin);
	cmd[strlen(cmd) - 1] = '\0';
	myarg[0] = strtok(cmd, " ");
	int i = 1;
	while(myarg[i] = strtok(NULL, " ")){
	  i++;   
	}
	pid_t id = fork();
	if(id == 0){
	  // child
	  execvp(myarg[0], myarg);
	  exit(11);
	}

	// father
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if(ret > 0){
	  printf("exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));

	}
  }

  return 0;
}

运行结果就不展示了。