从零开始学Linux进程控制:fork、wait、exec 详解

用户11986934

发布于 2026-01-12 18:12:49

1:进程创建

1:进程 = 内核相关的数据结构(task_struct + mm_struct + 页表) + 代码 + 数据.

2:创建子进程会经过以下步骤.

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给子进程(子进程要继承于父进程).
添加子进程到系统的进程列表中
代码:子进程与父进程共享代码
数据:则通过写时拷贝的方式

如果理解进程具有独立性

根本原因在于:进程 = 内核的相关管理数据结构(task_struct + mm_struct(地址空间) + 页表) + 代码 + 数据.子进程有自己的task_struct + mm_struct(地址空间) + 页表.
代码虽然与父进程共享,但是与父进程之间互不影响.
而数据是通过写时拷贝的方式进行复用.
因此无论从内核的相关管理数据结构还是从代码以及数据,它都是独立的.

1.1: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.

进程调用fork,当控制转移到内核中的fork代码后,内核会做:

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中.
fork返回,开始调度器调度.

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    printf("Before: pid is %d\n", getpid());
    if((pid = fork()) == -1)
    {
        perror("fork() fail");
        exit(-1);      
    }
    printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
    return 0;
}

这里看到了三行输出，一行 before ，两行 after 。进程114527 先打印 before 消息，然后它有打印 after 。另一个 after消息有114528 打印的。注意到进程114528 没有打印 before，为什么呢？如下图所示.

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.

PS:fork之后，父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定.

1.2:fork函数返回值

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完成任务的,父进程只有知道了子进程的pid才能更加有针对性地去给子进程指定任务.

为什么fork函数有两个返回值

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中,此时子进程便创建完毕了

那么也就是说,在fork函数内部执行return语句以前,子进程就已经创建完毕了,那么之后的return语句不仅需要父进程执行,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.

1.3: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.

1:为什么数据要进行写时拷贝？

进程具有独立性.多个进程在运行时,需要独享各种资源,多进程运行期间互不干扰,不能让子进程的改变影响到父进程.

2:为什么不在创建子进程的时候进行写时拷贝.

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，那么应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间,避免空间的浪费.

3:代码会不会进行写时拷贝？

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.

1.3:fork函数常规用法

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。

1.4:fork函数调用失败原因

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。
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 = 内核相关的数据结构(task_struct + mm_struct + 页表) + 代码 + 数据. 创建进程时,会先创建进程的内核的相关管理数据结构.

那么终止是在做什么呢

释放曾经的代码和数据所占据的空间.
释放内核数据结构.

那么进程终止存在以下三种情况

代码跑完,结果正确.
代码跑完,结果不正确.
代码执行的时候,出现了异常,提前退出了.

第一种情况和第二种情况可以通过进程的退出码来决定.
第三种情况,得通过OS发给进程的信号来确定.

2.1: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，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.

代码1

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

int main()
{
  printf("I am process and My pid =%d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
  sleep(1);
  return 99;
}

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.

退出码存在的意义就是在于:告诉关心方,我将任务完成得怎么样了.
退出码为0则表示成功,为非0表示失败.(博主使用99是为了方便uu们查看).

代码2

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

int main()
{
  for (int errorcode = 0; errorcode <= 255; errorcode++)
  {
    printf("errorcode == %d:%s\n",errorcode,strerror(errorcode));
  }
  return 0;
}

1,2,3,4,5,6.....不同的非0值,一方面表示失败,另一方面表示失败的原因.

父进程bash为什么要得到子进程的退出码呢?

要知道子进程的退出情况(成功,失败,以及失败的原因是什么)------>核心宗旨是为用户负责.

2.2:异常

异常这里后面会有专门的部分讲解,这里首先uu们简单理解下就好

可以想象一个场景,编程运行的时候,突然崩溃了,这个时候的根本原因是:发生了异常,操作系统系统发现进程做了不该做的事情,从而杀死了进程.
那么为什么会出现异常,原因在于:进程出现了异常,本质是因为进程收到了OS发给进程的信号.
一旦出现了异常,退出码就没有任何意义了.

代码1

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

int main()
{
  while (1)
  {
    printf("I am process and My pid =%d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

代码2

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

int main()
{
  int * p = NULL;
  while (1)
  {
    printf("I am a Process And My pid == %d\n",getpid());
    *p = 100;
    sleep(2);
  }
  
  return 0;
}

怎么判断异常.

在进程退出的时候,查看进程的退出信号是多少,就可以判断进程为什么异常了.

如何判断进程终止.

先确认是不是异常.
不是异常,就一定是代码跑完了,看退出码即可.

总结:衡量一个进程退出,我们只需要两个数字:退出码与退出信号

2.3:进程常见退出方法

进程正常终止一般有三种

从main函数return(非main函数return表示函数结束)
调用exit.
_exit.

2.3.1:main函数return

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

int main()
{

  printf("I am process and My pid =%d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
  sleep(1);
  return 0;
}

2.3.2: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。

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

void Test()
{
  printf("hello world");
  exit(1);  
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

上述代码使用exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出.

2.3.3:_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.

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

void Test()
{
  printf("hello world");
  _exit(1);  
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

使用_exit终止进程,则缓冲区当中的数据将不会被输出。

2.3.4:return、exit与_exit之间的区别与联系

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,冲刷缓冲区,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.

return、exit、_exit之间的联系

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。

3:进程等待

结论:任何子进程,在退出的前提下,一般必须要被父进程进行等待 进程在退出的时候,如果父进程不管不顾,那么此退出进程, 就会进入Z状态(僵尸进程)
为什么要有进程等待.

父进程通过等待,解决子进程退出的僵尸问题,回收系统资源(一定要考虑的因素).
获取子进程的退出信息,得知子进程是因为什么原因而退出.

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,进程造成了内存泄漏.
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安排给子进程的任务完成得如何.
父进程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.

3.1:进程等待的方法

3.1.1:wait方法

作用：等待任意子进程.
返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1.
参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL.

代码1

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

void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(2);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit\n");
      exit(0);
   }  
   //父进程在等待
   pid_t rid = wait(NULL);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
   }
}

代码2

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

void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit\n");
      exit(0);
   }  
   sleep(10);
   //父进程在等待
   pid_t rid = wait(NULL);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
   }
   sleep(3);
   printf("Father Process Quit\n");
}

3.1.2:waitpid方法

函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
返回值:

正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程pid
如果设置了选项WNOHANG,则调用中waitpid发现没有已退出的子进程可以收集,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,等待任何一个子进程,与wait等效. Pid > 0,等待其进程id与pid相等的子进程. status(输出型参数,获取子进程的退出状态): 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为非零,提取子进程退出码.(查看进程的退出码) 不关心则可设置为NULL. 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.

代码1

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

void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit\n");
      exit(0);
   }  
   //Pid = -1,等待任何一个子进程,与wait等效.
   pid_t rid = waitpid(-1,NULL,0);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
   }
}

代码2(等待指定进程退出)

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

void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit\n");
      exit(0);
   }  
   //等待指定进程退出
   pid_t rid = waitpid(id,NULL,0);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
   }
   sleep(3);
   return 0;
}

代码3

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

void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   int status = 0;
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit\n");
      exit(1);
   }  
   sleep(10);
   //等待指定进程退出,并且获取进程退出状态码
   pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
   }
   sleep(3);
   printf("Father Process Quit and status == %d",status);
   return 0;
}

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~

3.2:获取进程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.
statu是一个整型变量,但status不能简单地当作整型来看待,status的不同比特位所代表的信息不同,具体细节如下.

在status的低16比特位中,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掉,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.

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

void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   int status = 0;
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit\n");
      exit(1);
   }  
   sleep(10);
   //等待指定进程退出,并且获取进程退出状态码
   pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
   }
   sleep(3);
   printf("Father Process Quit and status == %d,child quit code:%d,child quit signal:%d\n",status,(status >> 8) & 0xFF,status & 0x7F);
   return 0;
}

3.3:阻塞等待与非阻塞等待

在讲解阻塞等待与非阻塞等待前,我们先来看看子进程正常退出与非正常退出的情况

代码1(子进程正常退出)

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

void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   int status = 0;
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit....\n");
      _exit(123);
   }
   //父进程休眠7s
   sleep(7);
   //等待指定进程退出,并且获取进程退出状态码
   pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
      //wifexited判断子进程是否正常退出
      if(WIFEXITED(status))
      {
         //wexitstatus获取进程的退出码
         printf("Child Quit Success,Child exit Code == %d\n",WEXITSTATUS(status));
      }
      else
      {
         printf("Child Quit Unnormal\n");
      }
   }
   else
   {
      printf("Wait Faild\n");
   }
   sleep(3);
   return 0;
}

代码2(子进程非正常退出)

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

void ChildRun()
{
   int * p = NULL;
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
      *p = 150;
    }  
}

int main()
{
   int status = 0;
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit....\n");
      _exit(123);
   }
   //父进程休眠7s
   sleep(7);
   //等待指定进程退出,并且获取进程退出状态码
   pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
   if(rid > 0)
   {
      printf("Wait Success,rid == %d\n",rid);
      //wifexited判断子进程是否正常退出
      if(WIFEXITED(status))
      {
         //wexitstatus获取进程的退出码
         printf("Child Quit Success,Child exit Code == %d\n",WEXITSTATUS(status));
      }
      else
      {
         printf("Child Quit Unnormal\n");
      }
   }
   else
   {
      printf("Wait Faild\n");
   }
   sleep(3);
   return 0;
}

3.3.1:阻塞等待

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.

3.3.2:非阻塞等待

父进程没有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------>非阻塞等待.

因此waitpid如果是以阻塞等待的方式的调用的话,本质是在检测子进程的状态.

3.3.3:基于非阻塞接口的轮询检测方案

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 <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
typedef void(*Fun_T)();
#define N 3
Fun_T task[N] = {NULL};
void PrintLog()
{
   printf("PrintLog\n");
}

void DownLoad()
{
   printf("DownLoad\n");
}

void MySQLDataSync()
{
   printf("MySQLDataSync\n");
}

//加载任务
void LoadTask()
{
   //函数名表示地址
   task[0] = PrintLog;
   task[1] = DownLoad;
   task[2] = MySQLDataSync;
}

void HandleTask()
{
   for (size_t i = 0; i < N; i++)
   {
      //拿到函数对应的地址,然后进行调用
      task[i]();
   }
   
}
//非阻塞轮询等待父进程做其他事情
void DoOtherThing()
{
   HandleTask();
}


void ChildRun()
{
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("I am Child process and my pid == %d,ppid == %d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      count--;
    }  
}

int main()
{
   printf("I am Father process and my pid == %d,ppid ==%d\n",getpid(),getppid());
   pid_t id = fork();
   if(0 == id)
   {
      ChildRun();
      printf("Child Quit\n");
      exit(123);
   }

   LoadTask();

   //非阻塞轮询
   while (1)
   {
      int status = 0;
      //WNOHANG表示非阻塞等待
      pid_t Return_id = waitpid(id,&status,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
      if (Return_id == 0)
      {
         sleep(1);
         printf("Child is Running,Please Check Next Time\n");
         DoOtherThing();         
      }
      //大于0表示等待成功
      else if(Return_id > 0)
      {
         printf("Wait Success,rid == %d\n",Return_id);
         //wifexited判断子进程是否正常退出
         if(WIFEXITED(status))
         {
            //wexitstatus获取进程的退出码
            printf("Child Quit Success,Child exit Code == %d\n",WEXITSTATUS(status));
         }
         else
         {
            printf("Child Quit Unnormal\n");
         }
         break;
      }
      else
      {
         printf("Wait Failed\n");
         break;
      }
   }
   
   return 0;
}

运行结果就是，父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出，若未退出，则父进程先去忙自己的事情，过一段时间再来查看，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

4:进程程序替换

在讲进程程序替换前,我们先看一段代码

代码1

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

int main()
{
   printf("Test Execl Begin\n");
   execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);
     printf("Test Execl End\n");
   return 0;
}

我们可以清晰地看到,上述代码并未执行 printf("Test Execl End\n");这段代码,那么这是为什么呢?这就牵扯到exec*系列函数的原理了

替换原理

进程 = 内核数据结构 + 代码 + 数据,而进程替换的本质是将进程的代码与数据进行了替换,站在被替换进程的角度:本质就是这个程序(在上述例子是ls指令)被加载到内存中.

那么程序为什么要加载到内存当中

因为冯诺依曼体系结构规定代码和数据只能够被CPU访问,CPU只能够就近访问内存,不能够访问外设,因此必须将磁盘里的代码和数据加载到内存当中.

所以exec*系列的函数,执行完毕以后,后续的代码就不见了,因为旧进程代码和数据被exec*系列函数替换掉了,但是并没有替换旧进程的内核数据结构(因此在执行exec*系列函数的过程中,没有创建新进程).

代码2

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

int main()
{
   printf("Test Execl Begin\n");
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      sleep(3);
      execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);
      exit(1);
   }

   int status = 0;
   //为0表示阻塞等待
   pid_t Rid = waitpid(id,&status,0);
   if (Rid > 0)
   {
      printf("Father Wait Success,Child Exit Code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
   }
   
   printf("Test Execl End\n");
   return 0;
}

我们可以看到,退出码是0而不是0,这是因为我们创建了子进程,子进程执行了execl函数,进行了程序替换,以至于没有执行execl函数后面的代码.

创建子进程,目的是为了让子进程完成任务.但完成任务的方式有两种.

让子进程执行父进程代码的一部分.
让子进程执行一个全新的程序(程序替换).

父子进程之间要保证各自进程的独立性,默认不修改的情况下,父子进程共享代码和数据.
一旦要让子进程执行一个全新的程序,不仅仅是将数据进行了写时拷贝,然后将新程序的数据对其进行覆盖,同样也将代码进行了写时拷贝,并且将新程序的代码对其进行进行了覆盖,并且通过页表重新建立映射关系.

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*系列函数时,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*系列函数并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变.
当进行进程程序替换时，是否创建新的进程？

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并没有发生改变.

子进程进行进程程序替换后，是否影响父进程的代码和数据？

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。

4.1: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[]);
//其中...表示可变参数

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.

4.1.1:execl函数

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("Test_Execl Begin\n");
    execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);
    printf("Test_Execl End\n");
    return 0;
}

4.1.2:execlp函数

4.1.3:execv函数

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

int main()
{
   printf("Test Execv Begin\n");
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      sleep(3);
      //与execl函数一样,以NULL结尾
      char * const argv[] = {"ls","-l","-a",NULL};
      execv("/usr/bin/ls",argv);
      exit(1);
   }

   int status = 0;
   //为0表示阻塞等待
   pid_t Rid = waitpid(id,&status,0);
   if (Rid > 0)
   {
      printf("Father Wait Success,Child Exit Code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
   }
   
   printf("Test Execv End\n");
   return 0;
}

4.1.4:execvp函数


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

int main()
{
   printf("Test Execvp Begin\n");
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      sleep(3);
      char * const argv[] = {"ls","-l","-a",NULL};
      execvp("ls",argv);
      exit(1);
   }

   int status = 0;
   //为0表示阻塞等待
   pid_t Rid = waitpid(id,&status,0);
   if (Rid > 0)
   {
      printf("Father Wait Success,Child Exit Code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
   }
   
   printf("Test Execvp End\n");
   return 0;
}

4.1.5:execvpe函数

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

int main()
{
   printf("Test Execvpe Begin\n");
   pid_t id = fork();
   if(id == 0)
   {
      sleep(3);
      //与execl函数一样,以NULL结尾
      char * const argv[] = {"Cpp_Program.exe",NULL};
      char * const envp[] = {"LiuJunhao = No.1","LuoAiTao = No.2",NULL};
      execvpe("./Cpp_Program.exe",argv,envp);
      exit(1);
   }

   int status = 0;
   //为0表示阻塞等待
   pid_t Rid = waitpid(id,&status,0);
   if (Rid > 0)
   {
      printf("Father Wait Success,Child Exit Code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
   }
   printf("Test Execvpe End\n");
   return 0;
}

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main(int argc,char * argv[],char* env[])
{
    int i = 0;
    //命令行参数表默认以NULL结尾
    for(i = 0; argv[i]; i++)
    {
        printf("argv[%d]:>%s\n",i,argv[i]);
    }
    printf("-----------------------------\n");
    //环境变量参数表也默认以NULL结尾
    for(i = 0; env[i]; i++)
    {
        printf("env[%d]:>%s\n",i,env[i]);
    }
    printf("-----------------------------\n");
    cout << "hello I am C++ Program and my pid == "<<getpid()<<endl;
    cout << "hello I am C++ Program and my pid == "<<getpid()<<endl;
    return 0;
}