【Linux】进程控制

孤寂大仙v2025-02-17 16:53

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🌹往期回顾🌹：【Linux】进程地址空间与虚拟地址空间

🔖流水不争，争的是滔滔不

一、进程创建

fork函数

在linux中fork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。下面这篇文章讲过一点进程创建：【Linux】进程概念(PCB)与进程创建(fork)

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，会产生两个二进制代码相同的进程，并且它们都从调用 fork 之后的代码处开始运行（可理解为运行到相同的地方）。不过，此后每个进程都能够开启自己独立的执行路径和旅程。

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

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。

fork函数返回值

子进程返回0，

父进程返回的是子进程的pid。

写时拷贝

这篇文章也讲过一点写时拷贝的一些原因【Linux】进程地址空间与虚拟地址空间

通常，父子进程代码共享，父子再不写入时，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。

因为有写时拷贝技术的存在,所以父子进程得以彻底分离离！完成了进程独立性的技术保证! 写时拷贝,是⼀种延时申请技术,可以提高整机内存的使用率。

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，夫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

进程终止的本质是释放系统资源，就是释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码。

进程退出的场景

  1. 正常退出且结果正确：进程完成了它被赋予的任务，例如一个计算程序成功完成了所有的计算，并将结果正确输出，之后正常终止。
  2. 正常退出但结果不正确：进程虽然执行完毕，但得到的结果不符合预期。比如一个数据处理程序在处理数据时，由于输入数据存在问题，导致最终结果错误，然后进程终止。
  3. 异常退出：进程在执行过程中遇到了无法处理的错误，被迫终止。常见的异常情况包括除零错误、访问非法内存（如使用野指针）、栈溢出等。

进程是我们写的代码形成的可执行程序，代码都包含main函数，main函数的返回值也就是退出码通常表示程序的执行情况。

  1. 代码运行完毕，结果正确return0。

  2. 代码运行完毕，结果不正确return的结果不为0为1,2,3,4...

  3. 代码异常退出码无意义。

常见退出码

退出码（退出状态）可以告诉我们最后⼀次执行的命令的状态。在命令结束以后，我们可以知道命令是成功完成的还是以错误结束的。其基本思想是，程序返回退出代码 0 时表示执行成功，没有问题。
代码 1 或 0 以外的任何代码都被视为不成功。

  1. 退出码 0 表示命令执行无误，这是完成命令的理想状态。
  2. 退出码 1 我们也可以将其解释为 "不被允许的操作"。例如在没有 sudo 权限的情况下使用yum；再例如除以 0 等操作也会返回错误码 1 ，对应的命令为 let a=1/0 。
  3. 130 （ SIGINT 或 ^C ）和 143 （ SIGTERM ）等终⽌信号是非常典型的，它们属于 128+n 信号，其中 n 代表终码。
  4. 可以使用strerror函数来获取退出码对应的描述。

strerror函数查看退出码

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    int i=0;
    for(i;i<200;i++)
    {
        printf("%d->%s\n",i,strerror(i));
    }
    return 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）：

  1. 从main返回
  2. 调用exit
  3. _exit
    异常退出：
    • ctrl + c，信号终止

除了通过main函数执行结束让程序退出，还可以调用exit函数让程序退出。

用exit()让进程退出的时候会让缓冲区刷新。

用_exit()让进程退出的时候不会让缓冲区刷新，直接就退出了。

三、进程等待

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得如何，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。

wait方法

c 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

下面是一个wait方法的演示

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id==0)
    {
        //子进程
        int cnt=5;
        while (cnt)
        {
            printf("我是一个子进程:pid=%d ppid=%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
    }
    sleep(5);
    //剩下的全是父进程
    pid_t rid=wait(NULL);//没有确定的pid，null就是所有
    if(rid>0)
    {
        printf("等待成功 rid=%d\n",rid);
    }
    sleep(5);
    return 0;
}


创建子进程，后来父进程通过进程等待的方式回收子进程。可通过上图看出，创建子进程后子进程会变为僵尸状态，后通过wait方法回收子进程。

waitpid方法

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：

  1. pid：这是一个整数，用于指定要等待的子进程的PID。其取值有以下几种情况：

pid > 0：等待指定PID为pid的子进程。

pid = 0：等待当前进程组中的任何子进程。

pid =-1：等待任何子进程，与wait函数的功能相同。

pid < -1：等待组ID为-pid的任意子进程。

  1. status: 输出型参数
    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）
  2. options:默认为0，表示阻塞等待
  3. 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。

下面是一个waitpid的例子

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)//子进程
    {
        int cnt=5;
        while(cnt)
        {
            printf("这是一个子进程:pid->%d ppid->%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(10);
    }
    int status=0;
    pid_t rid=waitpid(id,&status,0);
    if(rid>0)
    {
        printf("等待成功 rid:%d exit code:%d\n",rid,(status>>8)&0xFF);
    }
    else
    {
        printf("等待失败 %d: %s\n",errno,strerror(errno));
    }
    return 0;
}



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。

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。

status是整型，int有32个bit位。高16位不考虑，低16位就是下图当中的正常终止。低16位中的高8位是表示退出码。

如果代码异常终止，如图被信号所杀的低8位保存异常时对应的信号编号。没有异常，低7位为0，一旦低7位不为0就是异常。

可直接用WEXITSTATUS(status)代替之前的，这样也更方便。


WIFEXITED(status)

僵尸状态为了确保系统资源被安全回收，并为父进程提供子进程的终止信息。子进程的信息都在子进程的task_struct中，父进程要想得到就要通过如获取退出码一样获取子进程的信息。

非阻塞等待

前面聊过的wait方法和waitpid方法，都是阻塞等待，当子进程没结束的时候父进程阻塞等待，直到子进程结束父进程才会进行等待接收进程的信息。

还有一种方式是非阻塞等待，子进程在执行的同时父进程不用一直阻塞住，可以执行自己的程序。

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<errno.h>

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        //子进程
        while(1)
        {
            sleep(1);
            printf("我是一个子进程 pid->%d ppid->%d\n",getpid(),getppid());
        }   
        exit(10);
    }
    //父进程
    while(1)
    {
        int status=0;
        pid_t rid=waitpid(id,&status,WNOHANG);
        if(rid>0)
        {
            printf("等待成功 rid:%d exit code:%d\n",rid,(status>>8)&0xFF);
            break;
        }
        else if (rid==0)
        {
            printf("本轮调用结束，子进程没有退出\n");
            sleep(1);
        }
        else
        {
            printf("等待失败\n");
            break;
        }   
    }
}

用非阻塞等待可以，在子进程没有退出的时候父进程也可以执行程序。

四、进程替换

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。

新程序完全替换当前进程的代码段、数据段、堆栈。进程 = 内核数据结构 + 代码和数据 ，也就是将代码和数据部分进行替换，但是PCB大部分不变，页表小部分映射关系可能会调整

一但程序替换成功，就去执行新的代码，原始代码的后半部分就不存在了。此进程替换的过程中没有创建新的进程，只是把当前的代码和数据用新的程序的代码和数据覆盖式的替换了。

  • 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。

exex系列的函数不进行返回值判断，如果有返回值就是进程替换失败了。
只有失败返回值没有成功返回值。

如果是子进程，不会影响父进程。进程具有独立性子进程的数据和代码发生写实拷贝。进程替换发生在子进程上。

进程替换也能替换我们自己的程序

替换函数

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

execl

上面聊的都是共性东西，且用execl举的例子。

必须指定完整路径

参数逐个列出，最后必须跟NULL，表示参数传递完成

execlp


前面一个参数只需要写执行的文件就可以，execlp会自己在环境变量PATH中查找指定的命令。

execv

execvp

execvpe

被替换的子进程传递全新的环境变量。本来的环境变量都被覆盖掉了。

如何以以新增的方式把环境变量给子进程？

第一种方式用putenv

第二种方式

与上面一个一样

execve

这个是系统调用，上面的几个除了这个都是语言封装的，也就是当调用语言封装的函数的时候都会进行系统调用

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