Linux【进程控制】总结

学习目标

首先进程控制分为四大部分：进程创建、进程退出、进程等待、进程替换；

        第一步：学习如何来创建一个进程，一般我们会使用fork函数来创建子进程，创建子进程之后，就要去探索子进程与父进程的相关联系；

        第二步：学习如何让一个进程退出，需要认识并熟练使用exit、_exit、return函数来完成进程退出，了解进程退出码，进程退出码的组成，如何获取进程退出码；

        第三步：学习如何等待一个进程和进程等待的相关函数，通过函数来获取进程退出码；

        第四步：学习如何进行进程替换，了解并熟练使用进程替换的接口exec*函数

一、进程创建

进程创建必备函数：fork函数的介绍：

在已知进程中创建一个新的进程，已知进程为父进程，新进程为子进程

fork函数声明：

pid_t fork(void);

头文件：

#include <unistd.h>

返回值：

返回值为0，表示为子进程
返回的为子进程的pid，但是此时是父进程
返回值为-1，创建子进程失败

说明：

  • fork之后，子进程与父进程共享代码，如果某一进程要修改某一段代码，会发生写时拷贝
  • 通常使用  if-else  语句让父子进程执行不同的代码
  • fork通常会让子进程去执行别的程序，也就是程序替换

提问：

1. 为什么fork之后，对代码修改会发生写时拷贝？

        首先fork之后，父子进程共享父进程的代码，当这段 被共享的数据 需要修改的时候，为了保证进程的独立性，操作系统会介入其中，发生写时拷贝，然后去修改拷贝后的数据，保证父子进程互不影响。(谁被修改，就把谁写时拷贝，其他的不变)

2. 为什么同一个变量可以有不同的值？

        (1) 首先Linux支持同一个变量名表示不同的内存，因为变量最终都是存放在内存中的，而变量名是给人看的，计算机只看二进制，所有即使同一个变量名，但是内存空间的地址不同，就可以区分；

        (2) 这里也发生了写时拷贝，上面的图是一个简单版本，下面有一个复杂版本；

        (3) 页表、虚拟空间地址都相同，但是映射过去的物理地址空间不同；

二、进程退出

       进程退出，我们就会想到之前讲过的僵尸进程，先复习一下僵尸进程，当子进程退出时，子进程会把大部分资源（代码段、数据段、页表、地址空间等）还给操作系统，唯独保留下该进程的PCB，保留PCB的原因是，PCB中记录了一个进程退出时的退出码，退出码会反馈进程退出的原因（执行完结果正确、执行完结果错、没执行完，异常退出）。而退出码是会被父进程读取的，这也是必须要读取的。若没有父进程读取子进程的退出码，那该子进程就会变成僵尸进程。

        而读取进程退出码的原因是，我们必须知道子进程是因为什么退出！

说到这里，我们会清楚两点：

        1. 进程退出时，必须提供进程的退出码，以供父进程读取

        2. 父进程读取子进程的退出码的方式为：进程等待

所以，我们学习进程退出，要学会下面三个方面：

        1. 进程退出的场景

        2. 进程退出的方法

        2. 进程退出码的解读

1. 进程退出的场景

        这里我们应该深有体会，有时候进程在执行一部分代码的时候就直接终止，比如野指针的使用、除0操作；又或者执行结束，但是结果不正确；最常见的就是执行结束，也得到了想要的结果。所以我们将进程退出分为以下三个场景：

1. 程序执行结束，结果正确
2. 程序执行结束，结果不正确
3. 程序没执行结束，异常终止

2. 进程退出的方法

        我们在学习C/C++时，通常会在main函数的末尾写上一个return 0，这表示main函数返回值为0，main函数返回成功。其实这就是我们程序的退出方法之一。

        下面列举了进程退出的方法汇总和逐方法讲解：

return num

必须在主函数中使用

在其他函数体使用，仅仅代表函数的结束

exit(num)可以在任意地方调用，代表直接退出进程
_exit(num)同上

ctrl + c 

kill -num pid

在命令行中使用信号杀死进程，属于异常终止

注意：

  • exit 和 _exit可以在任意地方调用，都是用来退出进程的；但是return必须在主函数中使用，在其他函数体使用，仅仅代表函数的结束
  • exit支持刷新缓冲区，_exit不支持
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
//    printf("exit()会刷新缓冲区");printf("_exit()不会刷新缓冲区");_exit(0);
//    exit(0);
}
这里的结果显而易见，_exit不会刷新缓冲区，也就是根本不会打印任何东西；反之exit则会打印出来；但是在每个printf语句里末尾都加一个 '\n' ，他们都会打印出来
        这是因为 ' \n '是有刷新缓冲区的作用。
  •  exit在底层封装了_exit，比_exit多了个刷新缓冲区

思考：这个缓冲区是操作系统内部的吗？

        首先该缓冲区一定不是操作系统内部的，因为_exit 是一个系统调用接口，_exit被调用的时候，释放了资源，但是并没有刷新缓冲区，而exit函数封装之后才会刷新缓冲区，所以这个缓冲区一定不是操作系统的缓冲区，而是用户层的。

3. 进程退出码

       进程退出码：记录进程退出时的情况，正常或异常，正确或错误。

进程退出码的组成：

                                        进程退出码 = 退出码 + 核心转储标志 + 异常码

注意：

  • 进程退出码以位图的方式呈现，我们只关心低16位
  • 异常码为0到6比特位，表示进程出异常收到的异常编号
  • 退出码为8到15比特位，表示进程正常退出的退出码
  • 异常码 = 0，表示进程执行过程中无异常，看退出码
  • 异常码 ≠ 0，表示进程执行出异常，退出码无意义

获取进程退出码的方法：

指令：echo $?
进程等待函数wait、waitpid的输出型参数status

三、进程等待

1. 为什么要进行进程等待？

        1. 子进程退出时，父进程如果不进行进程等待，子进程会变成僵尸进程，造成内存泄漏

        2. 进程一旦变成僵尸进程，无法使用kill命令来杀死

        3. 子进程退出时，会将其退出情况存放到进程退出码中，这个退出码就放在PCB里，所以父进程进行进程等待，也可以获取子进程的退出情况

2. 进程等待必要性

回收子进程资源（必做），获取子进程退出码（选做）

3. 进程等待的方法

（1）wait函数

函数声明：

pid_t wait(int* status)

头文件：

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

返回值：

成功：返回被等待进程的 pid ；

失败：返回  -1；

status：

输出型参数，获取子进程退出码，不获取则可以设置成为NULL

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{int id = fork(); //fork创建子进程if(id == 0) //子进程{printf("I am a child , pid = %d\n", getpid());exit(1);}int status = 0;if(wait(&status) == id) //等待成功，返回被等待进程pidprintf("status = %d\n", status);else //失败，返回-1printf("wait error\n");return 0;
}

（2）waitpid函数

函数声明：

pid_ t waitpid(pid_t pid, int* status, int options)

头文件：

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

返回值：

正常返回：waitpid返回等待到的子进程pid；
设置选项WNOHANG：而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；
调用中出错：则返回-1

status：

输出型参数，依旧是获取子进程的退出码，不获取可设置为NULL。

查看进程是否是正常退出：

WIFEXITED(status)

若为正常终止子进程返回的状态，则为真

异常退出为假，可查看进程异常退出信号

查看进程的退出码：

WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。

options：

当options传入 WNOHANG 时 （一个宏，值为1）

代表当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pid

options传入的整型值，不是1，就会一直等待子进程的退出，父进程会阻塞等待；

为WNOHANG，则不会等待，父进程会执行后面的代码，是非阻塞等待

示例1：使用WIFEXITED和WEXITSTATUS获取进程退出情况

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{int id = fork(); //fork创建子进程if(id == 0) //子进程{printf("I am a child, pid = %d\n", getpid());exit(11); //子进程退出}int status = 0;waitpid(id, &status, 0);if(WIFEXITED(status))  //当进程正常退出，返回真printf("exit code = %d\n", WEXITSTATUS(status)); //打印进程的退出码else   //进程异常退出printf("exit signal = %d\n", WIFEXITED(status)); //打印进程的异常退出信号return 0;
}

示例2: 阻塞等待

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{int id = fork(); //fork创建子进程if(id == 0) //子进程{int count = 5;while(count--){printf("I am a child, pid = %d\n", getpid());sleep(1);}exit(11); //子进程退出}int status = 0;while(1){int rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == 0)printf("child is running\n");else{printf("child exit success\n");return 0;}sleep(1);}
}

示例3:非阻塞等待

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{int id = fork(); //fork创建子进程if(id == 0) //子进程{int count = 5;while(count--){printf("I am a child, pid = %d\n", getpid());sleep(1);}exit(11); //子进程退出}int status = 0;while(1){int rid = waitpid(id, &status, WNOHANG);if(rid == 0)printf("child is running\n");else{printf("child exit success\n");return 0;}sleep(1);}
}

四、进程替换

        进程替换就是将现在正在执行的进程换去执行另一个程序的代码

1. 进程替换的函数

（1）库函数

#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 execvpe(const char* file， char* const argv[]s, char* const envp[])

（2）系统调用函数

#include <unistd.h>
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);


名词解释：

path        传程序的绝对路径
file传程序的文件名
arg

可变参数列表，依次传使用规则传入字符串

但结尾必须为NULL

argv

将上面的可变参数放在指针数组里，传数组名

数组最后一个元素必须为NULL

envp

将自己写的环境变量放在指针数组里，传数组名

数组最后一个元素必须为NULL

函数返回值：

这些函数如果调用成功，则替换后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

快速记忆exec*函数的命名：

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，只需要传程序名，自动搜索路径
e -> env : 表示需要自己传环境变量

2. 进程替换后的注意事项

  • 进程替换不会产生新的进程，进程pid不变；
  • 进程成功替换后，不会执行exec*函数后面的代码，因为被替换掉了
  • exec*函数只有失败返回值，没有成功返回值
  • 不论什么语言，只要是一个可执行程序，我们就可以替换
  • 进程替换，只是把被替换的程序的代码段和数据段覆盖到替换之前到程序上，其他内核数据结构（PCB、页表、虚拟地址空间）不变，这也就解释了为什么没有产生新进程

3. exec函数示例

#include <unistd.h>
int main()
{char *const argv[] = {"ls", "-l", NULL};char *const envp[] = {"PATH=/usr/bin", NULL};//    execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", NULL);//    execlp("ls", "ls", "-l", NULL);//    execle("ls", "ls", "-l", NULL, envp);//    execv("/usr/bin/ls", argv);//    execvp("ls", argv);//    execve("/usr/bin/ls", argv, envp);return 0;
}

4. 进程替换的应用场景

通常会创建子进程，让子进程进行进程替换，利用该特性，我们可以实现一个自己的shell

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