Linux:进程控制

进程创建

进程：内核的相关管理数据结构（task_struct+mm_struct+页表）+代码（<-共享）和数据(<-写时拷贝)

fork函数初识

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>

pid_t fork(void);

返回值：自进程中返回 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

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。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序。

int main( void )

{

pid_t pid;

printf("Before: pid is %d\n", getpid());

if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);

printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);

sleep(1);

return 0;

}

运行结果：

[root@localhost linux]# ./a.out

Before: pid is 43676

After:pid is 43676, fork return 43677

After:pid is 43677, fork return 0

这里看到了三行输出，一行 before ，两行 after 。进程 43676 先打印 before 消息，然后它有打印 after 。另一个 after消息有43677 打印的。注意到进程 43677 没有打印 before ，为什么呢？如下图所示

所以， 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。

fork函数返回值

子进程返回 0 ，

父进程返回的是子进程的 pid。

为什么父进程返回的是子进程的pid,而子进程返回的是0？

为了让父进程方便对子进程进行标识，进而进行管理

写时拷贝

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

进程终止

终止是在做什么？

释放曾经的代码和数据所占据的空间

释放内核数据结构

进程退出场景

a.代码运行完毕，结果正确

b.代码运行完毕，结果不正确

（上面两可以通过进程的退出码确定）

c.代码异常终止（即运行崩溃，操作系统发现进程做了不该做的事情，OS杀了进程。一旦出现异常，退出码没有意义了）

解决：我们可以看进程退出时候的退出信号是什么，就可以判断进程为什么异常了

衡量一个进程退出，我们只需要知道两个：退出码，退出信号

进程常见退出方法

echo $?

echo:内建命令，打印的都是bash内部的变量数据

$？：父进程获取到的最近一个子进程退出的退出码

退出码为0：成功

退出码为非0：表示失败,不同的非0值，一方面表示失败，另一方面表示失败的原因

退出码可以使用默认，也可以自定义

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

1. 从 main 返回

2. 调用exit

3. _exit

异常退出：

ctrl + c ，信号终止

_exit函数（系统调用）

#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（库函数）

#include <stdlib.h>

void exit(int status);

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

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

目前我们所说的缓冲区，不是内核缓冲区！！！

实例：

int main()

{

printf("hello");

exit(0);

}

运行结果 :

[root@localhost linux]# ./a.out

hello[root@localhost linux]#

int main()

{

printf("hello");

_exit(0);

}

运行结果 :

[root@localhost linux]# ./a.out

[root@localhost linux]#

return退出

return（main函数中的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。

exit和_exit异同

相同：在代码的任意位置调用exit（_exit），都表示进程退出

异：exit在进程退出时候，会充刷缓存区，而_exit不会

进程等待

进程等待必要性

之前讲过，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

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：

等待成功返回被等待进程（子进程） 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

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（获取子进程的退出信息）:

        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（非阻塞等待）:

        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 。

宏函数：WIFEXITED、WEXITSTATUS

宏：WNOHANG

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，具体细节如下图（只研究 status 低 16 比特位）：

测试代码：
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main( void )

{
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 ){ // 正常退出
printf("child exit code:%d\n", (st>>8)&0XFF);
} else if( ret > 0 ) { // 异常退出
printf("sig code : %d\n", st&0X7F );
}
}
}
测试结果：
[root@localhost linux]# ./a.out #等20秒退出
child exit code:10
[root@localhost linux]# ./a.out #在其他终端kill掉
sig code : 9

具体代码实现

进程的阻塞等待方式：

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;
}
运行结果:
[root@localhost linux] # . / a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is : 1.

进程的非阻塞等待方式：

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

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

其实有六种以 exec 开头的函数 , 统称 exec 函数：

#include <unistd.h>`

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[])；

...表示可变参数

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

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。

exec*系列的函数，执行完毕后，原来的后续代码不见了，因为被替换了

execl函数的返回值可以不关心了。

只要替换成功，就不会向后继续运行

只要继续运行了，一定是替换失败了

即：让子进程执行一个全新的程序，会让代码跟数据都产生写时拷贝，保证进程的独立性！！！

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

例：

exec 调用举例如下 :

#include <unistd.h>
int main()
{
	char* const argv[] = { "ps", "-ef", NULL };
	char* const envp[] = { "PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL };
	execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 带e的，需要自己组装环境变量
	execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
	execv("/bin/ps", argv);

	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	execvp("ps", argv);
	// 带e的，需要自己组装环境变量
	execve("/bin/ps", argv, envp);
	exit(0);
}