[Linux] 进程等待 | 进程替换

一颗青果2024-11-09 17:59

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所属专栏：青果大战linux

总有光环在陨落，总有新星在闪烁

我有一个朋友，拿了个国二，还找了个小学妹，被上压力了啦，

我们在上一篇进程退出码提到了退出码，但其实他的相关知识还有一半没讲，因为这个要结合进程阻塞才可以。

进程等待

我们在讲进程状态时就提到了，当子进程结束，如果父进程不对子进程进行回收，那 子进程就会一直处于僵尸状态，现在我们就要开始讲父进程是如何对子进程进行回收的了。

进程回收的必要性

  1. 子进程结束后，如果不回收，就会进入僵尸状态，那么他的一部分内存就无法回收，造成内存泄漏，即便是kill命令也不行，因为你无法杀死一个死掉的进程
  2. 子进程结束后，父进程需要知道子进程是否完成任务，如果失败了，失败原因是什么，这些可以通过回收进程来获取相关信息。

wait函数

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);

函数返回值

  • 成功：返回被终止子进程的进程ID
  • 失败：返回 -1

我愿称之为最朴实无华的回收函数

#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main(){
pid_t p=fork();
if(p>0){
    pid_t k=wait(NULL);
    if(k<0)
        printf("回收失败了\n");
    else
        printf("回收成功了\n");
    while(1){
        sleep(1);
    printf("我是父进程%d\n",getpid());
    }
}
else if(p==0)
{
    int cnt=5;
    while(cnt--)
    {
          printf("我是子进程：%d 我还在运行\n",getpid());
    sleep(1);
}
}
}

可以看出，wait确实回收了子进程，子进程在结束后不再像之前一样以僵尸状态继续保留 ，而是立刻消失了

但是wait的功能实在是太少了，所以我们不打算对它细讲

waitpid

wait算是waitpid的一个子功能，即回收一个进程，并获取其退出码

waitpid有三个参数，我们一个个说

【pid】

  • pid>0，则表示指定waitpid回收该pid的进程

  • pid<0:回收任意一个子进程，就像wait

    #include<stdio.h>
    #include<sys/wait.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<unistd.h>
    int main(){
    pid_t p=fork();
    if(p>0){
    pid_t k=waitpid(p,NULL,0);
    printf("我是父进程\n");
    if(k<0)
    printf("回收失败了\n");
    else
    printf("回收成功了\n");
    while(1){
    sleep(1);
    printf("我是父进程%d\n",getpid());
    }
    }
    else if(p==0)
    {
    int cnt=5;
    while(cnt--)
    {
    printf("我是子进程：%d 我还在运行\n",getpid());
    sleep(1);
    }
    }
    }

【返回值】

  • 回收成功，他会返回回收的进程的PID
  • 回收失败则返回-1

我们现在把要回收的子进程从p改为了p+1，就会导致回收失败。

#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main(){
pid_t p=fork();
if(p>0){
    pid_t k=waitpid(p+1,NULL,0);
    printf("我是父进程\n");
    if(k==-1)
        printf("回收失败了\n");
    else
        printf("回收成功了\n");
    while(1){
        sleep(1);
    printf("我是父进程%d\n",getpid());
    }
}
else if(p==0)
{
    int cnt=5;
    while(cnt--)
    {
          printf("我是子进程：%d 我还在运行\n",getpid());
    sleep(1);
}
}
}

【status】

输出型参数，他将存储子进程的退出信息

如果不想接收该信息，就传入空指针即可

我们要用位图的思想去看status，

为什么要这样设置？

进程结束有两种情况

  • 正常终止（但最后结果可能不对），退出信息为0，表示无信号异常

  • 被信号杀死（没跑到return就挂了），退出码不确定，此时研究它没有意义

为了研究进程到底是处于什么原因结束，我们需要存储这两种信息

同时我们也可以得出status>>8即是退出码，status&07F就是终止信号

代码展示

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
int main(){
    pid_t p=fork();
    if(p==0)
    {
        int cnt=5;
        while(cnt--){
            sleep(1);
            printf("子进程PID：%d\n",getpid());
        }
        exit(1);
    }
    int st=0;
    pid_t k=waitpid(p,&st,0);
    printf("回收子进程：%d status：%d ：退出码：%d 退出信息 %d\n",k,st,st>>8,st&0x7F);
    return 1;
}

我们的退出码是return的1，且运行时没有异常所以退出信息为0，与打印结果一致

对于退出信息，我们可以使用kill -l指令查看

例如kill -8表示因为浮点错误（除零）而导致进程被终止

这里我们用kill -8 +PID终止了进程，可以看到退出信息变成了8（因为是8号信息终止），退出码则变成了0，这也说明了当进程因为异常提前终止，退出码就没有意义了

++linux给用户提供了宏去检测status++

  1. WIFEXITED：检测进程是否正常退出，返回一个布尔值，如果进从正常退出，返回真

  2. WEXITSTATUS：提取子进程的退出码

但是我想吐槽一下，对于英格力士不好的人来说，那些宏的英文真不好记，还不如写个st>>8查看退出码，st&0x7F查看退出信息来的好

非阻塞轮询

waitpid的第三个参数表示等待回收的方法，

  • 0表示阻塞等待
  • WNOHANG（wait no hang）表示非阻塞等待

阻塞等待：当父进程执行到该语句时，就会检测要等待回收的子进程是否结束了，如果结束了就回收，如果没有就会卡在该语句，一直等待直到等待失败（返回-1），或者子进程结束对其进行回收。

非阻塞等待：当父进程执行到该语句时，也会检测要等待回收的子进程是否结束了，如果结束了就回收并且返回该进程的PID，如果没有就会返回0，不会卡在这里，因此多与while循环搭配

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
int main(){
    pid_t p=fork();
    if(p==0)
    {
        int cnt=5;
        while(cnt--){
            sleep(1);
            printf("子进程PID：%d\n",getpid());
        }
        exit(1);
    }
    while(1)
    { int st=0;
    pid_t k=waitpid(p,&st,WNOHANG);
    if(k>0)
    {printf("回收子进程：%d status：%d ：退出码：%d 退出信息 %d\n",k,st,st>>8,st&0x7F);
        break;
    }
    else if(k==0)
    {
        printf("子进程没结束，在等等\n");
    }
    sleep(1);
    }
    return 1;
}

可以看到父进程的waitpid在子进程没有执行完时，并没有被卡住，而是继续执行后面的语句了

进程替换

请注意，这个函数非常重要！！我们下次要手写一个shell外壳，就需要用到它，所以请读者认真阅读

我们也算是比较了解fork函数了，fork的作用是创建一个子进程，我们可以利用这点让父子进程执行不同的代码，来满足不同的需求，但是子进程的代码时拷贝的父进程的，如果我们想让子进程执行某种代码，就必须把代码写在父进程中，再用if else区分fork返回值进行区分才可以。那假如我想在代码中使用ls ，pwd这种指令真么办；我想在这个文件的代码中运行别的文件的代码怎么办，把那些代码都拷贝进来？那实在太麻烦了，于是进程替换闪亮登场解决了这个问题

exec系列接口一共有6个，我们可以输入 man -3 exec查看

execl

【返回值】

  • 进程替换失败返回-1
  • 成功则没有返回值

第一个参数，表示要执行的文件的路径，可以是绝对路径也可以是相对路径。

第二个参数，命令行参数中的argv，以列表（list）的形式传参，记得要以nullptr结尾

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main(){
    execl("/bin/ls","ls","-a","-l",nullptr);
    return 0;
}

这样一看貌似就是执行了该指令而已，但其实不只是这样，请看下面的代码

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main(){
    execl("/bin/ls","ls","-a","-l",nullptr);
    printf("明天没早八！！\n");
    return 0;
}

是的，你没有看错，本该在exec函数后执行的printf语句没有执行！

这里就涉及exec的原理了。

事实上，执行到exec函数时，会把第一个参数对应的代码和数据加载进内存，并且直接覆盖掉原来的代码和数据，因此在exec之后的代码是不可能被执行的 。

++这也是为什么exec成功后没有返回值，因为没有意义!毕竟后面的代码都被覆盖了。++

#include<unistd.h>
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main(){
    printf("我是exec后的进程，我的PID是%d",getpid());
}

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main(){
  printf("我是exec之前的进程，我的PID是%d\n",getpid());
    execl("./test5","test5",nullptr);
    return 0;
}

但是请注意，虽然代码和数据都被修改了，但是进程还是那个进程，不信我们可以用PID验证

execlp

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

与execl相比，只是修改了第一个参数，从要求传递路径，变成了要求传递文件名，

这就是告诉我们，不用再传路径了，把要执行的文件名传进来，至于他的路径，会在PATH的环境变量中查找，如果找得到就执行，找不到就无法执行。

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main(){
    execlp("pwd","pwd",nullptr);
    return 0;
}

execle

可以指定替换后的进程的环境变量

#include<unistd.h>
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main(int argc,char*argv[],char*env[]){
int i=0;
while(env[i])
    cout<<env[i++]<<endl;
}

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main(){
     char*const env[]={
       (char*) "A=111",
       (char*) "B=222",
       (char*) "LINUX",
        NULL
    };
    execle("./test5","./test5",NULL,env);
    return 0;
}

举一反三时间

观察三个函数， 我们不难发现这些函数名的含义

  1. 首先都是exec系列，所以前缀都是exec

  2. execl 后缀l（list列表）表示传入的命令行参数argv是以一个个字符串作为参数进行传入的

  3. execlp 后缀p的含义同上，p表示第一个参数不用传路径，直接传文件名

  4. execle 后缀e表示可传入环境变量

在此基础上，对剩下三个进行分析

【execv】

和后缀l相对，后缀v（vector）这个表示传入命令行argv是以指针数组的形式传入的

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main(){
     char*const argv[]={"ls","-a","-l",nullptr};
    execv("/bin/ls",argv);
    return 0;
}

【exevp】

后缀v表示传argv是以指针数组传参，p表示第一个参数不传路径而传文件名

【execvpe】

后缀v、p、e，读者不妨自己想想作用是什么

除了以上六个由语言封装的函数，还有一个execve，他是一个系统接口，不难想像六个接口都是对该系统接口的封装。

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