【Linux】进程控制

1.进程创建

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

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

2.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 代码异常终止

进程常见退出方法

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

#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 <unistd.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

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 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。

3.进程等待

进程等待必要性

之前说过过，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： 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

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。

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; }

4.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[]);

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

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); }

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, 所以 execve 在 man 手册 第 2 节 , 其它函数在man手册第 3 节。这些函数之间的关系如下图所示。

下图 exec 函数族 一个完整的例子 :