【Linux】进程控制深度了解

დ旧言~2024-01-03 9:43

> 作者简介：დ旧言~，目前大二，现在学习Java，c，c++，Python等

> 座右铭：松树千年终是朽，槿花一日自为荣。

> 目标：熟练掌握Linux下的进程控制

> 毒鸡汤：在等待的日子里，刻苦读书，谦卑做人，养得深根，日后才能枝叶茂盛。

> 望小伙伴们点赞👍收藏✨加关注哟💕💕

🌟前言

最早的时候我们学习了进程的状态，进程优先级和进程切换，当时不把进程控制加在里面，这里我们单独把它拉出来讲解，学习完本章对进程的板块算是熟练掌握了，咱们话不多说，直接进入今天的主题：【Linux】进程控制深度了解。

⭐主体

我们从以下学习【Linux】进程控制深度了解🥰🥰。

🌙进程创建

💫初识fork函数

  • fork函数的作用：是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。
  • fork函数的返回值：在子进程中返回 0 ，父进程中返回子进程pid，子进程创建失败返回 1 。
cpp 复制代码 
#include <unistd.h>
pid_t id = fork(void);

在进程调用fork函数时，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。

举个栗子：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

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：

可以看到fork前只输出了一次，fork之后输出了两次。

过程分析：

  • Before是由父进程打印的。
  • 调用fork函数之后打印的两个After，则分别由父进程和子进程两个进程执行。
  • 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。

注意： fork之后，父进程和子进程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。

fork函数为什么给子进程返回0，给父进程返回的是子进程的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，子进程是需要标识的，因为父进程创建子进程的目的是让其指向对于的任务，只有直到了各个子进程的PID，才能更有效率的工作。

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函数内部会进行一系列复杂的操作，包括创建子进程PCB，虚拟地址空间，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。

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。

💫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。
  • 此时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。
  • 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，再进行修改。

1、为什么数据要进行写时拷贝？

多进程运行需要独享各种资源，多进程运行期间是互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程。

2、为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？

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，我们应该按需分配，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。

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。

问题1. 地址空间不隔离

所有程序都直接访问物理内存，程序使用的物理空间不是相互隔离的。万一进程越界进行非法操作，这样是非常不安全的。

问题2. 内存使用效率低

没有有效的内存管理机制，通常执行一个程序时，监控程序需要将其整个程序装入内存然后开始执行。

问题3. 程序运行的地址不确定

因为每次需要装入运行时，我们都需要给他分配一块足够大的物理空间，而这个物理空间是不确定的。

💫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（进程崩溃）。

💫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，这就是为什么我们都在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。

举个栗子1：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main()
{
	printf("hello linux\n");
	return 0;
}

使用指令查看进程退出码1：

cpp 复制代码 
echo $?

过程分析1：

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：

举个栗子2：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int i = 0;
	for(i = 0;i < 100;i++)
	{
		printf("%d:%s\n",i,strerror(i));
	}
	return 0;
}

运行结果2：

过程分析2：

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。

💫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,return退出
  • 调用exit
  • _exit

异常退出：

  • ctrl+c,信号终止
1.return

return是一种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。

2.exit

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。

举个栗子：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void show()
{
	printf("hello linux\n");
	exit(1);
}

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

运行结果：

结果分析：

exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。

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。

举个栗子：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void show()
{
	printf("hello linux");
	_exit(2);
}

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

运行结果：

结果分析：

使用_exit终止进程，则缓冲区当中的数据将不会被输出。

💫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。

🌙进程等待

💫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，进而造成内存泄漏。
  • 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已经死去的进程。
  • 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派给子进程的任务完成的如何。
  • 父进程需要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。

💫获取子进程状态status

下面会介绍有关进程等待的两个函数wait和waitpid，它们都有一个status参数，改参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。如果对该参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。反之，操作系统会通过该参数，将子进程的退出状态信息反馈给父进程。

如何理解参数status？

status实际上是一个整型变量，但是status不能当作整型里看待，因为status的不同的比特位所代表的信息不同（只研究低16位比特位）。在status的低16位比特位中，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，低7位表示终止信号，而第8位是core dump标志。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。

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。

cpp 复制代码 
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。
cpp 复制代码 
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。

💫进程等待的方法

1.wait方法
  • 函数原型：pid_t wait(int* status);
  • 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。

举个栗子：

cpp 复制代码 
#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) 
	{	
		int count = 10;
		while (count--) 
		{
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if (ret > 0) 
	{	
		printf("wait child success...\n");
		if (WIFEXITED(status)) 
		{		
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

利用指令对进程进行实时监控：

cpp 复制代码 
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

运行结果：

结果分析：

  • 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。
  • 这时我们可以看到，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。
1.waitpid方法
  • 函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
  • 作用：等待指定子进程或任意子进程。
  • 返回值：
  1. 等待成功返回被等待进程的pid。
  2. 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。
  3. 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：
  1. 等待成功返回被等待进程的pid。
  2. 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。
  3. 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。

举个栗子：

cpp 复制代码 
#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){
		//child          
		int count = 10;
		while (count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father           
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if (ret >= 0){
		//wait success                    
		printf("wait child success...\n");
		if (WIFEXITED(status)){
			//exit normal                                 
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
		else{
			//signal killed                              
			printf("killed by siganl %d\n", status & 0x7F);
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

运行结果：

结果分析：

  • 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），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
  • 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

🌙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。

1.创建子进程的目的?

执行父进程磁盘代码的一部分；

让子进程加载磁盘上指定的程序到内存中，执行新程序的的代码和数据。

2.程序替换的本质

将指定程序的代码和数据加载到指定的位置

3.进程替换的时候，有没有创建新的进程？

我们知道一个进程被创建出来，OS会给它分配进程PCB,mm_struct,页表等信息，同时会将程序的代码和数据加载到物理内存。要知道进程程序替换之后，该进程的PCB，进程地址空间，页表等信息都不会发生改变，仅仅是把一个新的程序的数据和代码替换了原来进程的代码和数据，只是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也没有改变。

4.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（调用exec函数）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分离，因此子进程进行进程程序替换后不会影响父进程的代码和数据。

💫替换函数

cpp 复制代码 
一、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。

举例：

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

cpp 复制代码 
二、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。

举例：

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

cpp 复制代码 
三、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。

举例：

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };

execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

cpp 复制代码 
四、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。

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

execv("/usr/bin/ls", myargv);

cpp 复制代码 
五、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。

举例：

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

execvp("ls", myargv);

cpp 复制代码 
六、int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

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，第三个参数是你自己设置的环境变量。

举例：

char* myargv[] = { "mycmd", NULL };

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };

execve("./mycmd", myargv, myenvp);

💫函数解释

  • 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。
  • 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。

事实上，只有execve才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的execve，所以execve在man手册的第2节，而其它五个函数在man手册的第3节，也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。

下图为exec系列函数族之间的关系：

🌟结束语

今天内容就到这里啦，时间过得很快，大家沉下心来好好学习，会有一定的收获的，大家多多坚持，嘻嘻，成功路上注定孤独，因为坚持的人不多。那请大家举起自己的小手给博主一键三连，有你们的支持是我最大的动力💞💞💞，回见。

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