【Linux】 Linux 进程控制

Antonio9152025-06-06 12:09

参考博客：https://blog.csdn.net/sjsjnsjnn/article/details/125581083

一、进程创建

1.1 fork()函数

  • 在linux中fork函数是非常重要的函数，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。
  • 进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：
    1. 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
    2. 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
    3. 添加子进程到系统进程列表当中
    4. fork返回，开始由调度器调度

1.2 fork函数的返回值

返回值：

  1. 给父进程返回子进程的PID；
  2. 给子进程返回0；
  3. 子进程创建失败会返回-1；
c 复制代码 
void test1(){
    int ret = fork();
    std::cout << "pid = " << getpid() << ", fork()  = " << ret << std::endl;
}
  • 参照运行结果可以看出，给父进程返回的值为子进程的pid，而子进程返回的是0

创建子进程之后，也就是调用fork()函数之后，新创建的进程才开始执行之后的操作，如下图所示

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。

1.3 写时拷贝

  • 通常，父子代码共享，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。具体见下图：
  • 在修改内容之前，父子进程的数据和代码都是共享的
  • 当任意一方试图写入时，操作系统会识别到缺页中断
  • 所谓的缺页中断：是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回现行程序的间断处，继续执行原程序。
  • 那么，操作系统重新分配一块空间，将旧空间的数据拷贝下来，此时操作系统也会重新映射页表。

1.4 fork函数常规用法

  • 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类函数。

1.5 fork函数调用失败的原因

  • 系统中有太多的进程，导致内存严重不足，无法加载数据
  • 实际用户的进程数超过了限制

二、进程终止

2.1 进程的退出场景以及退出码

进程一旦退出，就会存在以下三种情况：

  1. 代码运行完毕，结果正确
  2. 代码运行完毕，结果不正确
  3. 代码异常终止
  • 这三种情况，作为用户怎样才能知道某个进程是以什么样的形式退出的呢？那么就有了退出码的概念。
  • Linux 系统中，程序可以在执行终止后传递值给其父进程，这个值被称为退出码。
  • 用户就可以通过相应的退出码，对进程退出状态做以判断
  • 例如，我们的main函数，每次都会写上 return 0; 其实这就是进程的退出码。

我们可以通过 echo $? 来获取最近一次进程退出时的退出码。

shell 复制代码 
echo $?
  • 上次进程退出是正常退出，因此结果为0
  • 对于每个指令，对应的都是一个个进程，我们输错指令也会有错误的进程返回值，比如下面输入lsss，返回值为127

2.2 查询返回值的含义

可以通过strerror()函数来查看对应返回值的含义

c 复制代码 
void test2(){
    for(int i = 0;i<140;++i){
        std::cout << "error[" << i << "] = " << strerror(i) << std::endl;
    }
}

实际上只有133以内的才是有含义的，打印的结果如下：

三、进程常见的退出方法

3.1 return退出

  • 刚刚我们已经介绍过main函数是通过return退出进程，需要注意以其他函数（非main函数）return进行区分，非main函数的return是函数返回，而main函数的return是进程退出。

3.2 exit( )退出

  • exit可以在程序的任何位置退出，exit退出会刷新缓冲区，和return一样
c 复制代码 
void test3(){
    std::cout << "test3 exit(100)" <<  std::endl;
    sleep(1);
    exit(100);
}
  • 查看进程的返回值，eixt(100)退出的返回值就为100

3.3 _exit退出

  • 除了上面两种方法来退出进程，我们还可以使用_exit函数来使进程退出。
  • _exit也是可以在代码中的任何位置终止进程，但是_exit函数终止进程时，是强制终止，不会进行进程的后续收尾工作，如：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

3.4 return、exit 和 _exit 的区别

  1. _exit()执行后会立即返回给内核，而exit()要先执行一些清除操作，然后将控制权交给内核。
  2. 调用_exit()函数时，其会关闭进程所有的文件描述符，清理内存，以及其他一些内核清理函数，但不会刷新流（stdin 、stdout、stderr）。exit()函数是在_exit()函数上的一个封装，它会调用_exit，并在调用之前先刷新流。
  3. return是一种更常见的退出进程方法。执行return（num）等同于执行exit（num）,因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数。

3.5 异常退出

  • 以上是正常退出的情况，和进程的退出码有关；
  • 对于进程的异常退出，就是程序执行了一半后由于地址访问错误、主动终止进程（比如ctrl+c或者kill，也有对应的错误码，这个错误码实际上是包含了进程的终止信号，下面会讲解

四、进程等待

4.1 进程等待的必要性

  1. 子进程退出，父进程如果不获取到子进程的退出信息，就可能造成 僵尸进程 的问题，进而造成内存泄漏。
  2. 进程一旦变成僵尸状态，所谓的 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。
  3. 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。
  4. 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。

4.2 进程等待方法

4.2.1 wait方法

函数原型以及所需头文件

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

  • 返回值：等待成功则返回等待进程的PID，等待失败，返回-1；

  • 参数：输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL

  • 下面的代码演示了创建一个子进程，子进程执行对应的任务，然后自动退出，父进程等待子进程结束，并且回收子进程的内存

c 复制代码 
void test4(){
    pid_t id = fork();
    if(id == 0){
        for(int i =0 ;i< 5 ; ++i){
            std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    else{
        sleep(10);
        std::cout << "father wait begin..." << std::endl;
        pid_t cur = wait(NULL);
        if(cur > 0){
            std::cout << "father wait: "<< cur << " sucess" << std::endl;
        }
        else{
            std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
        }
        sleep(10);
    }
}
  • 使用下面的shell脚本来监听对应的进程状态
shell 复制代码 
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep mytest | grep -v grep; sleep 1; echo "**********************"; done
  • 可以发现，在运行结束后，子进程退出，然后被父进程回收了，最后父进程也退出了

运行结果

4.2.2 waitpid方法

函数原型以及所需头文件

c 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
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PID。

下面的代码为等待任意一个子进程后，回收子进程，这里options指定为0，将会阻塞在此

c 复制代码 
void test5()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        for (int i = 0; i < 5; ++i)
        {
            std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
            sleep(1);
        }
        exit(100);
    }
    sleep(10);
    std::cout << "father wait begin..." << std::endl;
    // pid_t cur = wait(NULL);
    int status = 0;
    pid_t cur = waitpid(-1, &status, 0); // 等待任意一个子进程

    if (cur > 0)
    {
        std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, WIFEXITED(status) = " << WIFEXITED(status)
         <<",WEXITSTATUS(status) = "<< WEXITSTATUS(status) <<  std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
    }
    sleep(10);
}
  • 运行结果如下，通过WIFEXITED宏和WEXITSTATUS可以查看子进程是否正常退出以及退出码是多少

4.2.3 获取子进程status

4.2.3.1 什么是status

int status：它是一种输出型的参数 *
所谓获取子进程的status，就是获取子进程退出时的退出信息；
首先，在子进程中分别用exit(0)和exit(10)来中断子进程，父进程获取status值，判断进程的退出状态。

4.2.3.2 status的构成
  • status是由32个比特位构成的一个整数，目前阶段我们只使用低16个位来表示进程退出的结果
  • 如下图所示，就是status低16位的表示图；
c 复制代码 
status exit_code = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
status exit_code = status7 & 0x7F;       //退出信号
  • 进程正常退出有两种，与退出码有关，异常退出与信号有关
  • 所以这里我们就需要获取到两组信息：退出码与信号
  • 如果没有收到信号，就表明我们所执行的代码是正常跑完的，然后在判断进程的退出码，究竟是何原因使进程结束的
  • 反之则是异常退出，也就不需要关心退出码了
c 复制代码 
void test6()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        for (int i = 0; i < 5; ++i)
        {
            std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
            sleep(1);
        }
        exit(100);
    }
    sleep(10);
    std::cout << "father wait begin..." << std::endl;
    // pid_t cur = wait(NULL);
    int status = 0;
    pid_t cur = waitpid(-1, &status, 0); // 等待任意一个子进程

    if (cur > 0)
    {
        std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, status = " << status << std::endl;
        std::cout << "exit_code = " << ((status >> 8)& 0xff) << ", exit_signal = " <<(status & 0x7f) << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
    }
    sleep(10);
}
  • 正常退出，这里退出码为100，终止信号可以忽略
  • 在进程运行时使用kill -9命令终止进程，可以发现终止信号为9
  • 查询shell指令，发现9对应的是SIGKILL
shell 复制代码 
kill -l
  • 这里可以通过WIFEXITED宏和WEXITSTATUS宏查看是否是正常退出，以及正常退出的返回值
c 复制代码 
pid_t cur = waitpid(-1, &status, 0); // 等待任意一个子进程

if (cur > 0)
{
	std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, WIFEXITED(status) = " << WIFEXITED(status)
	 <<",WEXITSTATUS(status) = "<< WEXITSTATUS(status) <<  std::endl;
}
else
{
	std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
}
4.2.3.3 阻塞等待与非阻塞等待

  • 这里我们所讲的阻塞等待和非阻塞等待，其实就是waitpid函数的第三个参数，我们之前并未提及，直接给的是0，这种是默认行为，阻塞等待；阻塞等待：父进程一直在等待子进程，什么事都不干，直到子进程正常退出。

  • 如果设置为WNOHANG，表示的是非阻塞等待方式。非阻塞等待：父进程的PCB由运行队列转变为等待队列，直达子进程结束，操作系统获取到子进程退出的信号时，再将父进程从等待队列中调度到运行队列，由父进程去获取子进程的退出码以及退出信号。

通过判断返回值来查看是否子进程已经结束了，如果没有结束就继续干父进程自己的任务，否则就回收子进程

c 复制代码 
void test7()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        for (int i = 0; i < 10; ++i)
        {
            std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
            sleep(1);
        }
        exit(100);
    }

    std::cout << "father wait begin..." << std::endl;

    while (true)
    {
        int status = 0;
        pid_t cur = waitpid(-1, &status,WNOHANG); // WNOHANG = 1,非阻塞

        if (cur > 0)
        {
            std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, status = " << status << std::endl;
            std::cout << "exit_code = " << ((status >> 8) & 0xff) << ", exit_signal = " << (status & 0x7f) << std::endl;
            break;
        }
        else if(cur == 0)
        {
            std::cout << "do father process things" << std::endl;
            sleep(1);
        }
        else{
            std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

运行结果如下

五、进程程序替换

5.1 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。
  • 从上图可以看出，进程程序替换前后，进程本身并没有发生任何变化，只是所执行的代码发什么改变。
  • 如果子进程进行程序替换，不会影响父进程的代码和数据吗？首先进程是具有独立性的，虽然子进程共享父进程的代码和数据，但是由于进行了函数替换，发生了代码和数据的修改，此时就会进行写时拷贝。所有子进程进行程序替换时，并不会影响父进程的代码和数据。

5.2 替换函数

有六种以exec开头的函数,统称exec函数: 他们所需的头文件均为 #include <unistd.h>

execl函数

c 复制代码 
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
// path --- 可执行程序的路径
// arg --- 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：
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);

execlp函数

c 复制代码 
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
// file --- 可执行程序的名字
// arg --- 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：
execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);

execle函数

c 复制代码 
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
// path --- 可执行程序的路径
// arg ---  可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾
// envp --- 自己维护的环境变量
 
// 例如：
char* envp[] = { "Myval=12345", NULL };
execle("./myexe", "myexe", NULL, Myval);

execv函数

c 复制代码 
int execv(const char *path, char *const argv[]);
// path --- 你要执行程序的路径
// argv --- 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：
char* argv[] = { "ls", "-a", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", argv);

execvp函数

c 复制代码 
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
// file --- 你要执行程序的名字
// argv --- 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：
char* argv[] = { "ls", "-a", "-l", NULL };
execvp("ls", argv);

execve函数

c 复制代码 
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
// file --- 你要执行程序的路径
// argv --- 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
// envp --- 自己维护的环境变量
 
//例如：
char* argv[] = { "mycmd", NULL };
char* envp[] = { "Myval=12345", NULL };
execve("./myexe", argv, envp);

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。也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。
函数名 参数格式 是否带路径 是否使用当前环境变量
execl 列表 不是 是
execlp 列表 是 是
execle 列表 不是 不是，须自己装环境变量
execv 数组 不是 是
execvp 数组 是 是
execve 数组 不是 不是，须自己装环境变量
c 复制代码 
void test8(){
    char *argv[] = {"ls","-a","-l",NULL}; 
    
    execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL); //可变参，NULL结尾
 
    execv("/usr/bin/ls",argv); //字符串数组形式

    execlp("ls","ls","-a","-l"); //文件名+可变参

    execvp("ls",argv); //字符串数组形式

    //可执行文件路径
    char* argv_[] = {"./process-test","-test2",NULL};
    char* env_[] = {NULL};
    execvpe("./process-test",argv_,env_);

}

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

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：

更多资料：https://github.com/0voice

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