Linux--进程控制

目录

进程创建

fork函数初识

fork函数返回值 

写时拷贝

fork的常规用法

fork调用失败的原因

进程终止

进程退出场景

退出方法

①调用_exit函数 

②调用exit函数

③main函数return

④异常退出

 进程等待

进程等待的必要性

进程等待的方法

①wait方法

②waitpid方法

 获取子进程status

 阻塞、非阻塞代码实现

①阻塞等待方式

②进程的非阻塞等待方式 

 进程程序替换

替换原理

替换函数

①execl函数

②execlp函数 

③execle函数

④execv函数 

⑤execvp函数

⑥execve函数

函数解释

简易shell的实现 

进程创建

操作系统会做什么:

  • 创建大量内核数据结构对象、变量
  • 针对各种结构做初始化
  • 加载部分或全部程序对应的代码和数据
  • 建立映射关系
  • 将进程连入各种数据结构中

fork函数初识

  • 概念 

fork()函数,它是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。

  • 函数原型
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
  •  进程调用fork,当控制转移到内核中的fork代码后,内核做:
  1. 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
  2. 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
  3. 添加子进程到系统进程列表当中
  4. fork返回,开始调度器调度

如图: 

 当一个进程调用fork之后,就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。如下程序:

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

int main()
{
        pid_t pid;
        printf("Before: pid id %d\n",getpid());

        pid = fork();
        if(pid == -1)
        {
                printf("出错了\n");
                exit(-1);
        }
        printf("After: pid is %d, fork return %d\n",getpid(),pid);

        sleep(1);
        return 0;

}

我们可以从输出的结果看到,在fork前的printf语句只执行了一次,fork后的printf语句打印了两次,可以看出94764为父进程,94765为子进程,也就是子进程没有打印fork前的printf语句。这是为什么呢???

所以,fork之前父进程独立执行,fork之后,父子两个执行流分别进行。

注意:fork之后,父子共享所有的代码,谁先执行完全由调度器决定。

子进程执行的后续代码 != 共享的所有代码,只不过是子进程只能从这里开始执行。 

fork函数返回值 

子进程中返回0,父进程中返回子进程的id,出错返回-1.

写时拷贝

  • 概念

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。

  •  为什么要写时拷贝,创建子进程的时候就把数据分开不行吗?
  1. 父进程的数据,子进程不一定全用,即便使用也不一定全部写入,会有浪费空间的嫌疑
  2. 最理想的情况,只有会被父子修改的数据进行分离拷贝,不需要修改的共享即可(从技术角度实现复杂)
  3. 如果fork的时候,就无脑拷贝数据给子进程会增加fork的成本
  4. 所以最终采用写时拷贝:延迟拷贝策略,只有真正使用的时候才给你

fork的常规用法

fork函数不是为了创建子进程而创建子进程,它创建子进程的目的有两种:

  1. 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。
  2. 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(做程序替换)

fork调用失败的原因

  1. 系统进程数达到太多,达到上限(系统会有一个进程数的限定,可以进行修改)
  2. 实际用户的进程数超过了限制 

进程终止

进程退出场景

  • 代码运行完毕,结果正确
  • 代码运行完毕,结果不正确
  • 代码没有运行完,异常终止

退出方法

  • 退出码 

程序在执行终止后传递值给其父进程,这个值被称为退出码(exit code)或退出状态(exit status)。当程序成功执行时传递 0 ,当程序执行失败时传递 1 或比 1 大的值。

在我们平时写的main函数的代码中,其实return 0的写法是不严谨的,main函数的return的结果就是其退出码。我们总是默认代码是正确的,没有根据执行结果返回相应的退出码。退出码可以自己定义也可以使用系统的错误码表。 

  • 查看退出码
echo $?

 

①调用_exit函数 

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

status定义了父进程的终止状态,父进程通过wait来获取该值。

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。

如图: 

②调用exit函数

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

 _exit和exit区别:

  • _exit仅仅是直接终止进程,不会有任何刷新操作
  • exit在退出进程前,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,所有的缓冲数据均被写入,最后调用_exit.

 

 ③main函数return

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的运行时会将main的返回值当作exit的参数。

④异常退出

  1. 在进程运行过程中,使用kill -9信号使进程异常退出,或者使用ctrl+c迫使进程退出
  2. 代码异常使进程异常退出 

 进程等待

为什么要进行进程等待?

需要父进程回收子进程的僵尸进程,父进程要关心子进程的退出码。

进程等待的必要性

  • 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。
  • 进程一旦变成僵尸进程,kill -9也不能将其杀掉
  • 我们需要知道父进程派给子进程的任务完成的如何,例如:子进程运行完成,结果是否正确,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。

进程等待的方法

①wait方法

#include <sys/tyoes.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);

 注意:

用来验证回收僵尸的现象

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。

②waitpid方法

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid,int *status, int options);

 注意:

用来获取子进程的退出信息(退出码+退出时的信号编号)

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

参数status:

  • 参数status是一个输出型参数,需要我们传入一个整型变量的地址,以获取子进程退出信息
  • WIFEXITED(status):若为正常终止子进程返回的状态,则为真(查看进程是否正常退出)
  • WEXITSTATUS(status):若WIFEXITED非零,提取子进程退出码(查看进程退出码)

参数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
  • 小结
  • 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。

 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,具体如下图:

代码示例:

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

int main()
{
        pid_t pid;

        if((pid=fork())== -1)
        {
                perror("fork"),exit(1);
        }
        if(pid == 0)
        {
                sleep(20);
                exit(10);
        }
        else
        {
            int st;
            int ret = wait(&st);
                if(ret > 0 && (st & 0x7F) == 0)
                {
                        printf("child exit code:%d\n",(st>>8)&0xFF);
                }
                else if(ret > 0)
                {
                        printf("sig code:%d\n",st&0x7F);
                }
        }

        return 0;
}

 等待20秒:

在其他终端将其kill掉:

 阻塞、非阻塞代码实现

①阻塞等待方式


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
int main()
{
     pid_t pid;
         pid = fork();
        if(pid < 0)
        {
                 printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
                 return 1;
        }
        else if( pid == 0 )
        { //child
                 printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
                 sleep(5);
                 exit(257);
        }
        else
        {
                 int status = 0;
                 pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待,等待5S
                 printf("this is test for wait\n");
                 if( WIFEXITED(status) && ret == pid )
                 {
                         printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
                 }
                 else
                 {
                         printf("wait child failed, return.\n");
                         return 1;
                 }
        }
        return 0;
}

 

②进程的非阻塞等待方式 


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
int main()
{
     pid_t pid;
         pid = fork();
        if(pid < 0)
        {
                 printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
                 return 1;
        }
        else if( pid == 0 )
        { //child
                 printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
                 sleep(5);
                 exit(1);
        }
        else
        {
                 int status = 0;
                 pid_t ret = 0;
                 do
                 {
                        ret = waitpid(-1,&status,WNOHANG);//非阻塞式等待
                        if(ret == 0)
                        {
                                printf("child is running\n");
                        }
                        sleep(1);
                 }while(ret == 0);

                 if( WIFEXITED(status) && ret == pid )
                 {
                         printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
                 }
                 else
                 {
                         printf("wait child failed, return.\n");
                         return 1;
                 }
        }
        return 0;
}

 

 进程程序替换

我们一般在服务器设计(linux编程)的时候,往往需要子进程干两件事情

  • 让子进程执行父进程的代码片段
  • 让子进程执行磁盘中一个全新的程序

如何进行替换:

  1. 将磁盘中的程序,加载入内存结构
  2. 重新建立页表映射,谁执行程序替换就重新建立谁的映射(子进程)

效果:让我们的父进程和子进程彻底分离,并让子进程执行一个全新的程序 

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。调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。

替换函数

①execl函数

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

示例:

if(id ==0)
{
      //child
      //我们想让子进程执行全新的程序,以前是执行父进程的代码片段
      printf("我是子进程,我的pid是: %d\n",getpid());
      execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);
      exit(1);
}
//一定是父进程
int status= 0;
int ret = waitpid(id, &status, 0);
if(ret == id)
{
     sleep(2);
     printf("父进程等待成功!\n");
}

 

②execlp函数 

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

示例: 

if(id ==0)
{
      //child
      //我们想让子进程执行全新的程序,以前是执行父进程的代码片段
      printf("我是子进程,我的pid是: %d\n",getpid());

      execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);
      exit(1);
}
//一定是父进程
int status= 0;
int ret = waitpid(id, &status, 0);
if(ret == id)
{
     sleep(2);
     printf("父进程等待成功!\n");
}

 

③execle函数

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

示例: 

mycmd.cpp

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
int main()
{
//      std::cout << "PATH:" << getenv("PATH") <<std::endl;
        std::cout << "---------------------------------------"<<std::endl;
        std::cout << "MYPATH:" << getenv("MYPATH") << std::endl;
        std::cout << "---------------------------------------"<<std::endl;
        std::cout << "hello c++" << std::endl;
        std::cout << "hello c++" << std::endl;
        std::cout << "hello c++" << std::endl;
        std::cout << "hello c++" << std::endl;
        std::cout << "hello c++" << std::endl;
        return 0;
}

myexec.c

 if(id ==0)
{
      //child
      //我们想让子进程执行全新的程序,以前是执行父进程的代码片段

       printf("我是子进程,我的pid是: %d\n",getpid());

       char *const env_[] = {
            (char*)"MYPATH=YouCanSeeMe!",
             NULL
        };
    //  execle("./mycmd","mycmd",NULL,environ);
        execle("./mycmd","mycmd",NULL, env_);
        exit(1);
}

在代码自定义:

用environ设置:

④execv函数 

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

示例:

if(id ==0)
{
     //child
     //我们想让子进程执行全新的程序,以前是执行父进程的代码片段
     printf("我是子进程,我的pid是: %d\n",getpid());

     //char *const argv_[] = {
     //    (char*)"top",
     //     NULL
     // };

     char *const argv_[] = {
           (char*)"ls",
           (char*)"-a",
           (char*)"-l",
           (char*)"-i",
            NULL
      };
      //execv("/usr/bin/top",argv_);
      execv("/usr/bin/ls",argv_);
      exit(1);

}

 

⑤execvp函数

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

示例:

if(id ==0)
{
     //child
     //我们想让子进程执行全新的程序,以前是执行父进程的代码片段
     printf("我是子进程,我的pid是: %d\n",getpid());
     char *const argv_[]={
         (char*)"top",
          NULL
     };
     execvp("top",argv_);
     exit(1);
}
//一定是父进程
int status= 0;
int ret = waitpid(id, &status, 0);
if(ret == id)
{
     sleep(2);
     printf("父进程等待成功!\n");
}
 

 ⑥execve函数

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

示例: 

if(id ==0)
{
      //child
      //我们想让子进程执行全新的程序,以前是执行父进程的代码片段

      printf("我是子进程,我的pid是: %d\n",getpid());

      char *const env_[] = {
            (char*)"MYPATH=YouCanSeeMe!",
             NULL
       };
       char *const argv_[] = {
             (char*)"ls",
             (char*)"-a",
             (char*)"-l",
             (char*)"-i",
              NULL
       };
       execve("/usr/bin/ls",argv_,env_);
       exit(1);
}

 exec函数族如图所示:

 如图可看出,只有execve是真正的系统调用,其他五个函数最终都调用execve。

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。 

简易shell的实现 

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表,它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程,然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束。

 

所以要自己实现一个简易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
  • 替换子进程
  • 父进程等待子进程退出

实现代码: 

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

#define SEP " "
#define NUM 1024
#define SIZE 128
char command_line[NUM];
char *command_args[SIZE];

//extern char** environ;

//对应上层的内建命令
int ChangDir(const char *new_path)
{
        chdir(new_path);
        return 0;
}

int main()
{
//shell本质上就是一个死循环
 while(1)
{
      //不关心获取这些属性的接口
      //1.显示提示符
      printf("[张三@我的主机名 当前目录]# ");
      fflush(stdout);

      //2获取用户输入
      memset(command_line,'\0',sizeof(command_line)*sizeof(char));
      fgets(command_line,NUM,stdin);//键盘,标准输入,stdin,获取到的是c风格的字符串,'\0'
      command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';//清空\n

      //3."ls -s -l -i" -> "ls" "-a" "-l" "-i" 字符串切分
      command_args[0] = strtok(command_line,SEP);
      //给ls命令添加颜色
      int index = 1;
      if(strcmp(command_args[0],"ls")== 0) command_args[index++] = (char*)"--color=auto";
      //strtok截取成功,返回字符串起始地址
      //截取失败,返回NULL
      while(command_args[index++] = strtok(NULL,SEP));

      //4.TODO,编写内建命令
      if(strcmp(command_args[0],"cd") == 0 && command_args[1] != NULL)
      {
            ChangDir(command_args[1]);
            continue;
      }

      //5.创建进程,执行
      pid_t id = fork();
      if(id == 0)
      {
             //child
             //6.程序替换
             //
             execvp(command_args[0],command_args);
              exit(1);
       }
       int status = 0;
       pid_t ret = waitpid(id,&status,0);
       if(ret > 0)
       {
              printf("等待子进程成功: sig: %d, code: %d\n",status&0x7F,(status>>8)&0xFF);
       }
}
return 0;
}
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