【Linux进程控制】进程控制专篇

作者：爱写代码的刚子

时间：2023.10.29

前言：本篇博客将再次介绍fork函数，理解进程等待，进程替换，进程终止，认识shell运行原理。

进程创建

fork函数

fork函数：从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，原进程为父进程。

fork函数返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，创建失败返回-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（父子进程谁先执行由调度器决定）

写实拷贝

通常，父子代码共享，父子在不写入时，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

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

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）：

• 从main返回
• 调用exit
• _exit

异常退出

• ctrl + c，信号终止

_exit函数

• 注：参数status定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

return退出

return是一种更常见的退出进程方法。执行return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。

【问题】:exit函数与_exit函数的区别？

实验一：

实验二：

• 从以上实验中我们可以知道exit函数清空了该程序的缓冲区，而_exit则是直接结束进程。同时exit函数会将所有使用atexit注册的函数进行调用以后再退出（_cxa_atexit()和atexit()这两个函数的作用相同，作用：注册一些函数用于在main()函数调用完以后再调用。）

进程等待

进程等待必要性

• 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。

• 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:

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NULL

waitpid方法

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

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):

具体代码实现

进程的阻塞等待：

#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 ){ //childprintf("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; 
}

进程的非阻塞等待：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id==0)//子进程{int cnt=5;while(cnt--){printf("子进程：%d,父进程：%d,cnt：%d\n",getpid(),getppid(),cnt);sleep(1);}exit(0);}else if(id>0)//父进程{int status=0;while(1){pid_t wait=waitpid(id,&status,WNOHANG);if(wait>0){printf("子进程结束，等待成功\n");sleep(1);if(WIFEXITED(status)){printf("进程是正常跑完的，退出码：%d\n",WEXITSTATUS(status));    }else{printf("进程退出异常\n");break;}}else if(wait<0){printf("wait failed!\n");break;}else{printf("子进程没有结束，继续等待\n");//这里父进程做自己的事情sleep(1);}}}else{printf("子进程创建失败\n");perror("fork");exit(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

六种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[]);

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

• 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

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	不是	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	不是	不是，须自己组装环境变量
execv	数组	不是	是
execvp	数组	是	是
execve	数组	不是	不是，须自己组装环境变量

#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:

模拟简易shell

类似效果（此外还可以设置环境变量、pwd、cd等操作）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44int lastcode = 0;
int quit = 0;
extern char **environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char *argv[ARGC_SIZE];
char pwd[LINE_SIZE];// 自定义环境变量表
char myenv[LINE_SIZE];
// 自定义本地变量表const char *getusername()
{return getenv("USER");
}const char *_gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}void getpwd()
{getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}void interact(char *cline, int size)
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), _gethostname(), pwd);char *s = fgets(cline, size, stdin);assert(s);(void)s;// "abcd\n\0"cline[strlen(cline)-1] = '\0';
}int splitstring(char cline[], char *_argv[])
{int i = 0;argv[i++] = strtok(cline, DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 故意写的=return i - 1;
}void NormalExcute(char *_argv[])
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if(id == 0){//让子进程执行命令//execvpe(_argv[0], _argv, environ);execvp(_argv[0], _argv);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == id) {lastcode = WEXITSTATUS(status);}}
}int buildCommand(char *_argv[], int _argc)
{if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0){chdir(argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0){strcpy(myenv, _argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0){if(strcmp(_argv[1], "$?") == 0){printf("%d\n", lastcode);lastcode=0;}else if(*_argv[1] == '$'){char *val = getenv(_argv[1]+1);if(val) printf("%s\n", val);}else{printf("%s\n", _argv[1]);}return 1;}// 特殊处理一下lsif(strcmp(_argv[0], "ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}int main()
{while(!quit){// 1.// 2. 交互问题,获取命令行interact(commandline, sizeof(commandline));// commandline -> "ls -a -l -n\0" -> "ls" "-a" "-l" "-n"// 3. 子串分割的问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline, argv);if(argc == 0) continue;// 4. 指令的判断 // debug//for(int i = 0; argv[i]; i++) printf("[%d]: %s\n", i, argv[i]);//内键命令，本质就是一个shell内部的一个函数int n = buildCommand(argv, argc);// 5. 普通命令的执行if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}