Linux——进程控制

#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    printf("Before:PID is %d\n",getpid());
    pid_t id=fork();
    printf("After:PID is %d,return is %d\n",getpid(),id);
    sleep(1);
    return 0;
}

大家可以看到运行结果，Before语句在fork前，只执行了一次，就是由父进程执行的；而After语句执行了两次，分别由父子进程各自执行一次。

也就是说，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。

tip： 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函数的返回值

这个问题在进程概念那篇文章中也详细说过，大家可以去看那一片文章，不过在这里还是重新强调一下；

1. 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执行任务的，父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程指派任务。

2. 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、创建子进程的进程地址空间、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当中，此时子进程便创建完毕了。

也就是说，在fork函数内部执行return语句之前，子进程就已经创建完毕了，那么之后的return语句是共享的，不仅父进程需要执行，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 fork函数的常规用法

1. 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。
2. 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函数调用失败的原因

1. 系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。

2. 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

2.1 进程退出的三种场景

1. 代码运行完毕，结果正确。（返回0）
2. 代码运行完毕，结果不正确。（返回非0）
3. 代码异常终止（进程崩溃）。

这里补充一点，返回值其实是通过寄存器返回的。

2.2 进程退出码

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，我们一般以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，这就是我们都在main函数的最后返回0的原因。

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。

退出码是父进程关心的，表明子进程执行情况。进程退出码会存储到当前进程的PCB中。

还是刚才的代码，这里我们main函数正常退出，所以退出码为0。

question:为什么以0表示代码执行成功，以非0表示代码执行错误？

因为代码执行成功只有一种情况，成功了就是成功了，而代码执行错误却有多种原因，例如内存空间不足、非法访问以及栈溢出等等，我们就可以用这些非0的数字分别表示代码执行错误的原因。

C语言当中的strerror函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    for(int i=0;i<150;i++)
    {
        printf("%d:%s\n",i,strerror(i));
    }
    return 0;
}

这里我们通过stderror函数就可以打印出错误信息。

实际上Linux中的ls、pwd等命令都是可执行程序，使用这些命令后我们也可以查看其对应的退出码。
可以看到，这些命令成功执行后，其退出码也是0。

但是命令执行错误后，其退出码就是非0的数字，该数字具体代表某一错误信息。

tip：退出码都有对应的字符串含义，帮助用户确认执行失败的原因，而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的，不同环境下相同的退出码的字符串含义可能不同。

2.3 进程正常退出

2.3.1 return退出

在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。

例如，在main函数最后使用return退出进程。

这个很简单，上面有演示，这里不再重复。

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：

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函数终止进程。

例如，以下代码中exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。

这里在打印的时候我没有加\n，但是运行后还是立马打印出来了，exit函数直接将缓冲区中是数据打印了出来，并且我们查看退出码，正是我们自己设置的退出码1。

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。

例如，以下代码中使用_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和_exit之间的区别与联系

首先我们来看它们的区别：

1. 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（C语言库函数）和_exit函数（系统调用）在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用。

大家可以发现，我们最终查的退出码是0，而不是1，这就可以证明上面的结论。

2. 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。

这里拓展一下思路，大家思考一下这里提到的缓冲区在哪里？

关于这个问题，大家首先要明确肯定不在操作系统内部，因为如果在OS内，那两个函数都应该刷新缓冲区。实际上这里的缓冲区是库缓冲区，是C语言为我们提供的。

区别介绍完了，它们之间的联系是什么呢？

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。

2.3.5 进程异常退出

情况一：向进程发生信号导致进程异常退出。

例如，在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出，或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。

情况二：代码错误导致进程运行时异常退出。

例如，代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出，或是出现除0的情况使得进程运行时异常退出等。

3. 进程等待

3.1 进程等待的必要性

1. 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，进而造成内存泄漏。
2. 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已经死去的进程。
3. 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派给子进程的任务完成的如何。
4. 父进程需要通过进程等待的方式，回收子进程资源（最重要的原因），获取子进程的退出信息。进程等待就是为了解决僵尸进程而设计的。

3.2 获取子进程的status

下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。

如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status是一个整型变量，但status不能简单的当作整型来看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具体细节如下（只研究status低16比特位）：

在status的低16比特位当中，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，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

tip：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。

3.3 进程等待的方法

3.3.1 wait方法

例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        //子进程
        int count=5;
        while(count--)
        {
            printf("我是子进程,PID:%d,PPID:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    //父进程
    int status=0;
    pid_t ret=wait(&status);
    if(ret>0)
    {
        printf("等待成功\n");
        if(WIFEXITED(status))
        {
            //退出正常
            printf("退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    sleep(3);
    return 0;
}

我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：

cp@hcss-ecs-348a:~$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc.exe | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

这里我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。

3.3.2 waitpid方法

例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0，阻塞等待），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        //子进程
        int count=5;
        while(count--)
        {
            printf("我是子进程,PID:%d,PPID:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(3);
        }
        exit(0);
    }
    //父进程
    int status=0;
    pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
    if(ret>0)
    {
        printf("等待成功\n");
        if(WIFEXITED(status))
        {
            //退出正常
            printf("退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
        else
        {
            //被信号杀死
            printf("Killed by Signal\n");
        }
    }
    sleep(3);
    return 0;
}

这里我们可以实现上面同样的效果。

如果我们在进程运行时杀死子进程，那么父进程同样可以等待成功。

tip：被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

3.3.3 多进程创建以及等待的代码模型

上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子，实际上我们还可以同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出，这叫做多进程创建以及等待的代码模型。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    pid_t arr[10];
    for(int i=0;i<10;i++)
    {
        pid_t id=fork();
        if(id==0)
        {
            //子进程
            printf("子进程创建成功,PID:%d\n",getpid());
            sleep(3);
            exit(i);//退出码设置为数组下标
        }
        //父进程
        arr[i]=id;        
    }
    for(int i=0;i<10;i++)
    {
        int status=0;
        pid_t ret=waitpid(arr[i],&status,0);
        if(ret>0)
        {
            printf("等待成功,PID:%d\n",arr[i]);
        }
        if(WIFEXITED(status))
        {
            printf("退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
        else
        {
            //被信号杀掉
            printf("Killed by Signal,%d\n",status&0x7F);
        }
    }
    return 0;
}

运行代码，这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。

3.3.4 基于非阻塞接口的轮询检测方案

上述所给例子中，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。

实际上我们可以让父进程不要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，即非阻塞等待。

做法很简单，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<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        //子进程
        int count=5;
        while(count--)
        {
            printf("子进程任务,PID:%d,PPID:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(3);
        }
        exit(0);
    }
    //父进程
    while(1)
    {
        int status=0;
        pid_t ret=waitpid(id,&status,WNOHANG);
        if(ret>0)
        {
            printf("等待成功\n");
            printf("退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
            break;
        }
        else if(ret==0)
        {
            printf("父进程任务\n");
            sleep(1);
        }
        else
        {
            printf("等待失败\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. 进程替换

4.1 替换原理

用fork创建子进程后，子进程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），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec函数。

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，并从新程序的启动例程开始执行。

当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？

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并没有改变。

子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？

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。

4.2 替换函数

替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：

1. int execl(const char *path, const char *arg, ...);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

2. int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。

execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

3. int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

4. int execv(const char *path, char *const argv[]);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);

5. int execvp(const char *file, char *const argv[]);

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

4.3 函数解释

上面这些函数如果调用成功，则加载指定的程序并从启动代码开始执行，不再返回。
如果调用出错，则返回-1。
也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。

4.4 命名理解

这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：

l(list)：表示参数采用列表的形式，一一列出。
v(vector)：表示参数采用数组的形式。
p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找。
e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量。

原文地址：https://blog.csdn.net/2302_81486993/article/details/147143798

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Linux——进程控制

1. 进程创建

1.1 fork函数初识

1.2 fork函数的返回值

1.3 fork函数的常规用法

1.4 fork函数调用失败的原因

2. 进程终止

2.1 进程退出的三种场景

2.2 进程退出码

2.3 进程正常退出

2.3.1 return退出

2.3.2 exit函数

2.3.3 _exit函数

2.3.4 return、exit和_exit之间的区别与联系

2.3.5 进程异常退出

3. 进程等待

3.1 进程等待的必要性

3.2 获取子进程的status

3.3 进程等待的方法

3.3.1 wait方法

3.3.2 waitpid方法

3.3.3 多进程创建以及等待的代码模型

3.3.4 基于非阻塞接口的轮询检测方案

4. 进程替换

4.1 替换原理

4.2 替换函数

4.3 函数解释

4.4 命名理解

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