Linux：进程控制

Chris-zz2024-10-24 22:07

✨✨✨学习的道路很枯燥，希望我们能并肩走下来!

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前言

[一 进程创建](#一 进程创建)

[1.1 fork函数](#1.1 fork函数)

[1.2 写时拷贝](#1.2 写时拷贝)

[1.3 fork常规用法](#1.3 fork常规用法)

[1.4 fork调用失败的原因](#1.4 fork调用失败的原因)

[二 进程终止](#二 进程终止)

[2.1 错误码的引入](#2.1 错误码的引入)

​编辑

[2.3 进程退出场景](#2.3 进程退出场景)

[2.2 进程终止的方式](#2.2 进程终止的方式)

[2.2.1 正常终止](#2.2.1 正常终止)

[1. 从main函数返回](#1. 从main函数返回)

[2. 调用exit](#2. 调用exit)

[3. _exit](#3. _exit)

​编辑

[2.2.2 异常退出](#2.2.2 异常退出)

[三 进程等待](#三 进程等待)

[3.1 进程等待必要性](#3.1 进程等待必要性)

[3.2 进程等待的方法](#3.2 进程等待的方法)

[3.2.1 wait方法](#3.2.1 wait方法)

[3.2.2 waitpid方法](#3.2.2 waitpid方法)

[四 进程程序替换](#四 进程程序替换)

[4.1 替换原理](#4.1 替换原理)

[4.2 替换函数](#4.2 替换函数)

[4.3 函数解释](#4.3 函数解释)

[​编辑 4.4 命名理解](#编辑 4.4 命名理解)

[五 简易的shell实现](#五 简易的shell实现)

总结

前言

本篇详细介绍了进一步介绍Linux的进程控制，让使用者对进程控制有更加深刻的认知，而不是仅仅停留在表面，更好的模拟，为了更好的使用. 文章可能出现错误，如有请在评论区指正，让我们一起交流，共同进步！

一 进程创建

1.1 fork函数

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。

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

返回值：自进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-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

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方（继承父进程的pc指针）。但每个进程都将可以 开始它们自己的旅程，看如下程序。

cpp 复制代码 
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：
//[root@localhost linux]# . / a.out
//Before : pid is 43676
//After : pid is 43676, fork return 43677
//After : pid is 43677, fork return 0

这里看到了三行输出，一行before，两行after。进程43676先打印before消息，然后它有打印after。另一个after 消息有43677打印的。注意到进程43677没有打印before，为什么呢？如下图所示

所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

1.2 写时拷贝

通常，父子代码共享，父子在不写入时（即只读 ），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。具体见下图:

问题一：代码共享，数据不修改，也是共享的，为什么？

我们前面提到父子进程代码是共享的，数据是独立的，那为什么数据即使不修改也让它各自独立一份呢？

打个比方，父进程有10m的数据，而子进程只对1m的数据进行修改，如果向我们上面提到的一样，操作系统给创建子进程时单独创建一份独立的数据，不仅创建进程的效率降低，还有9m的数据是重复的，浪费空间

因此我们创建子进程时，默认父子进程代码和数据是共享的

当对应进程需要对数据进行修改时，操作系统先申请一段空间，将我们要修改的数据拷贝下来，调整页表映射关系，恢复正常，让对应进程修改新空间的数据------写时拷贝

问题二： 操作系统是怎么知道我要进行写时拷贝呢？

fork之前，父进程的所有数据权限改为只读，之后如下图，（缺页中断之后讲，简单理解为系统检测）

问题三：为什么不直接申请完空间直接修改呢，还要进行拷贝？

有时候，我们的写入操作不一定都是对原数据进行覆盖，可能还要用到原数据，比如count++；

count本身还要被用到

1.3 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。

1.4 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

二 进程终止

2.1 错误码的引入

前面提到，main函数是有返回值的

￥？ 命令行中，最近一个进程的退出码

退出码用来表示程序的错误原因

在C++中系统给我们提供了一套错误码

用来将上一个函数发生错误的原因输出到标准设备(stderr)

将错误码转化为字符串

我们简单写一个代码

给人看用字符串，给机器看用错误码

那么错误码有多少呢？

我们继续写个简单代码

我们发现在Linux系统提供错误码信息有134个（加上0成功

约定退出码，与系统提供的错误码无关

2.3 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

2.2 进程终止的方式

2.2.1 正常终止

1. 从main函数返回

无需多言

2. 调用exit

exit------在代码的任何地方，表示进程结束

我们简单写一个代码

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<string.h>
#include<cstdlib>
using namespace std;
void fun()
{
        cout<<"hello ch"<<endl;
        exit(1);
}
int main()
{
        fun();
        cout<<"进程正常退出"<<endl;
        return 10;
}

我们发现在函数调用后，进程直接退出了，退出码也可以证实这一点

3. _exit

是系统调用接口

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<string.h>
#include<cstdlib>
#include<unistd.h>
using namespace std;
void fun()
{
        cout<<"hello ch"<<endl;
        //exit(1);
        _exit(1);
}
int main()
{
        fun();
        cout<<"进程正常退出"<<endl;
        return 10;
}

我们发现和exit的结果是一样的

_exit 和exit的区别在哪里呢？

对同一份代码，用不同的函数

cpp 复制代码 
#include<cstdio>
#include<string.h>
#include<cstdlib>
#include<unistd.h>
int main()
{
        //fun();
        printf("进程正常退出");
        sleep(2);
        exit(100); //_exit(100)
        sleep(2);
        return 0；
}

exit：

_exit：

结论：exit能刷新缓冲区

exit最后也会调用exit, 但在调用exit之前，还做了其他工作：

  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

2.2.2 异常退出

ctrl + c，信号终止

三 进程等待

3.1 进程等待必要性

● 之前讲过，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

3.2 进程等待的方法

3.2.1 wait方法

cpp 复制代码 
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

pid_t wait(int*status);

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为NULL

我们简单写一个代码

cpp 复制代码 
int main()
{
        pid_t id = fork();
        if(id < 0)
        {
                printf("errno : %d , strerror: %s\n",errno,strerror(errno));
                return errno;
        }
        else if(id == 0)
        {
                int cnt = 10;
                while(cnt--)
                {
                        printf("子进程运行中，pid：%d\n",getpid());
                        sleep(1);
                }
                exit(0);
        }
        else
        {       
                pid_t rid = wait(nullptr);
                if(rid > 0)
                {
                        printf("等待子进程成功，rid：%d\n",rid);
                }
                while(true)
                {
                        printf("我是父进程，pid：%d\n",getpid());
                        sleep(1);
                }
        }

}

此时父进程一直被阻塞在wait函数内部

但是，对于父进程来说，创建子进程是为了完成任务，wait之后回收子进程，却不知道它完成任务完成的怎么样，因此，对我们来说，wait是远远不够的，我们一般用的更多的是waitpid

3.2.2 waitpid方法

cpp 复制代码 
pid_ t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
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，则立即出错返回。

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）：

那我们如何通过status只获取获取退出码呢

  1. (status>>8)&0xFF

2 WEXITSTATUS(status) : 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）

问题：我们可以用一个全局变量获取退出信息吗？

不能，即使是父子，数据各自独立 ，我们只能通过系统调用来获取退出信息

对异常举个例子：野指针访问，1/0等等

那如何访问退出信号的值呢

  1. status&0x7F

  2. 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）

写一个简单的备份数据代码

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include<string>
using namespace std;
vector<int> data;
enum
{
    OK = 0,
    OPEN_FILE_ERROR,
};
int SaveBegin()
{
    string name = to_string(time(nullptr));
    name += ".backup";
    FILE* fp = fopen(name.c_str(), "w");
    if (fp == nullptr)       return OPEN_FILE_ERROR;
    string dataStr;
    for (auto& d : data)
    {
        dataStr += to_string(d);
        dataStr += " ";
    }
    fputs(dataStr.c_str(), fp);
    fclose(fp);
    return OK;
}
void Save()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        int code;
        code = SaveBegin();
        exit(code);
    }
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if (rid > 0)
    {
        int code = WEXITSTATUS(status);
        if (code == 0)   printf("备份成功，exit code：%d\n", code);
        else    printf("备份失败，exit code：%d\n", code);
    }
    else
    {
        perror("waitpid:");
    }
}
int main()
{
    int cnt = 1;
    while (true)
    {
        data.push_back(cnt++);
        sleep(2);
        if (cnt % 10 == 0)
        {
            Save();
        }
    }
    return 0;
}

非阻塞等待

非阻塞状态下，等待成功，子进程没退，返回值为0

一般配合循环使用，进行轮询检测

四 进程程序替换

4.1 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。

4.2 替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数

cpp 复制代码 
#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[]);

上述函数都封装了系统调用接口execve

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[])

4.3 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。

4.4 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

新增环境变量可以使用putenv（谁调用就新增谁）

五 简易的shell实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
using namespace std;

const int basesize = 1024;
const int argvnum = 64;
const int envnum = 64;
// 全局的命令行参数表
char *gargv[argvnum];
int gargc = 0;

// 我的系统的环境变量
char *genv[envnum];

// 全局的当前shell工作路径
char pwd[basesize];
char pwdenv[basesize];

// 全局的变量
int lastcode = 0;

// 全局变量与重定向有关
#define NoneRedir   0
#define InputRedir  1
#define OutputRedir 2
#define AppRedir    3

int redir = NoneRedir;
char *filename = nullptr;

// "    "file.txt
#define TrimSpace(pos) do{\
    while(isspace(*pos)){\
        pos++;\
    }\
}while(0)
string GetUserName()
{
	string name = getenv("USER");
	return name.empty() ? "None" : name;
}

string GetHostName()
{
    string hostname = getenv("HOSTNAME");
    return hostname.empty() ? "None" : hostname;
}

string GetPwd()
{
	if(nullptr == getcwd(pwd, sizeof(pwd))) return "None";
    	snprintf(pwdenv, sizeof(pwdenv),"PWD=%s", pwd);
   	 putenv(pwdenv); 
   	 return pwd;
	//string pwd = getenv("PWD");
	//return pwd.empty() ? "None" : pwd;
}

string MakeCommandLine()
{
	char command_line[basesize];
    	snprintf(command_line, basesize, "[%s %s]# ",\
            GetUserName().c_str(), GetPwd().c_str());
    	return command_line;
}
void PrintCommandLine() // 1. 命令行提示
{
    printf("%s", MakeCommandLine().c_str());
    fflush(stdout);
}

bool GetCommandLine( char command_buffer[],int size)
{
	char* result = fgets(command_buffer,size,stdin);
	if(!result)	return false;
	command_buffer[strlen(command_buffer)-1] = 0;
	if(strlen(command_buffer) == 0) return false;
	return true;
}

void ResetCommandline()
{
	memset(gargv,0,sizeof(gargv));
        gargc = 0;
	redir = NoneRedir;
	filename = nullptr;
}

void ParseRedir(char command_buffer[], int len)
{
	int end = len - 1;
	while(end >= 0)
	{
		if(command_buffer[end] == '<')
		{
			redir = InputRedir;
            		command_buffer[end] = 0;
            		filename = &command_buffer[end] + 1;
	       		TrimSpace(filename);	 
	       		break;
		}
		else if(command_buffer[end] == '>')
		{
			if(command_buffer[end - 1] == '>')
			{
				redir = AppRedir;
				command_buffer[end] = 0;
				command_buffer[end-1] = 0;
				filename = &command_buffer[end]+1;
				TrimSpace(filename);
				break;
			}
			else
			{
				redir = OutputRedir;
				command_buffer[end] = 0;
				filename = &command_buffer[end] + 1;
				TrimSpace(filename);
				break;
			}
		}
		else
		{
			end--;
		}
	}
}
void ParseCommand(char command_buffer[])
{
	const char* sep = " ";
        gargv[gargc++] = strtok(command_buffer,sep);

        while((bool)(gargv[gargc++] = strtok(nullptr,sep)));
        gargc--;

}

void ParseCommandLine(char command_buffer[], int len)
{
	ResetCommandline();
	ParseRedir(command_buffer, len);
       	ParseCommand(command_buffer);
}

void DoRedir()
{
	if(redir == InputRedir)
	{
		if(filename)
		{
			int fd = open(filename,O_RDONLY);
			if(fd < 0)
			{
				exit(2);
			}
			dup2(fd,0);
		}
		else
		{
			exit(1);
		}
	}
	else if(redir == OutputRedir)
	{
		if(filename)
		{
			int fd = open(filename,O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
			if(fd < 0)
			{
				exit(4);
			}
			dup2(fd,1);
		}
		else
		{
			exit(3);
		}
	}
	else if(redir == AppRedir)
	{
		if(filename)
		{
			int fd = open(filename,O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
			if(fd < 0)
			{
				exit(6);
			}
			dup2(fd,1);
		}
		else
		{
			exit(5);
		}
	}
	else
	{
		//Nothing to do;
	}
}

bool ExecuteCommand()
{
	pid_t id = fork();
	if(id < 0)	return false;
	if(id == 0)
	{
		DoRedir();
		execvp(gargv[0],gargv);
		exit(1);
	}
	int status = 0;
	pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
	if(rid > 0)
	{
		if(WIFEXITED(status))
		{
			lastcode = WEXITSTATUS(status);
		}
		else
		{
			lastcode = 404;
		}
		return true;
	}
        return false;

}

void AddEnv(const char *item)
{
    int index = 0;
    while(genv[index])
    {
        index++;
    }

    genv[index] = (char*)malloc(strlen(item)+1);
    strncpy(genv[index], item, strlen(item)+1);
    genv[++index] = nullptr;
}

bool CheckAndExecBuiltCommand()
{
    if(strcmp(gargv[0], "cd") == 0)
    {
        // 内建命令
        if(gargc == 2)
        {
            	chdir(gargv[1]);
	    	lastcode = 0;
        }
	else
	{
		lastcode = 1;
	}
        return true;
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "export") == 0)
    {
        // export也是内建命令
        if(gargc == 2)
        {
           	 AddEnv(gargv[1]);
	    	lastcode = 0;
        }
	else
	{
		lastcode = 1;
	}
        return true;
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "env") == 0)
    {
        for(int i = 0; genv[i]; i++)
        {
            printf("%s\n", genv[i]);
        }
	lastcode = 0;
        return true;
    }
     else if(strcmp(gargv[0], "echo") == 0)
     {
	if(gargc == 2)
	{
		if(gargv[1][0] == '$')
		{
			if(gargv[1][1] == '?')
			{
				printf("%d\n",lastcode);
				lastcode = 0;
			}
		}
		else
		{
			printf("%s\n",gargv[1]);
			lastcode = 0;
		}
	}
	else
	{
		lastcode = 3;
	}
	return true;	
     }
    return false;
}

void Initenv()
{
	extern char** environ;
	int index = 0;
	while(environ[index])
	{
		genv[index] = (char*)malloc(strlen(environ[index])+1);
		strncpy(genv[index],environ[index],strlen(environ[index]));
		index++;
	}
	genv[index] = nullptr;
}
int main()
{
	Initenv();
	char command_buffer[basesize];
	while(true)
	{
		PrintCommandLine();
		if( !GetCommandLine(command_buffer, basesize) )
		{
			continue;
		}
	
		ParseCommandLine(command_buffer, strlen(command_buffer));
		if ( CheckAndExecBuiltCommand() )
        	{
         	        continue;
        	}
		ExecuteCommand();
	}
	return 0;
}

总结

✨✨✨各位读友，本篇分享到内容是否更好的让你理解进程控制，如果对你有帮助给个👍赞鼓励一下吧！！
🎉🎉🎉世上没有绝望的处境，只有对处境绝望的人。
感谢每一位一起走到这的伙伴，我们可以一起交流进步！！！一起加油吧！！

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