【Linux系统编程】9. 进程控制（上）

文章目录

• 一、进程创建
• • 1、fork函数初识
  • 2、写时拷⻉
  • 3、fork常规⽤法
  • 4、fork调⽤失败的原因
• 二、进程终⽌
• • 1、进程退出场景
  • • [1）echo ? 指令](#1）echo ? 指令)
  • 2、进程常⻅退出⽅法
  • • 1）退出码
    • 2）_exit函数
    • 3）exit函数
    • 4）return退出
• 三、进程等待
• • 1、进程等待必要性
  • 2、进程等待的⽅法
  • • 1）wait⽅法
    • 2）waitpid⽅法
    • 3）获取⼦进程status
    • 4）阻塞与⾮阻塞等待

一、进程创建

1、fork函数初识

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。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
//返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程pid，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⻉⾄⼦进程
• 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。但每个进程都将可以开始它们⾃⼰的旅程，看如下程序：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<sys/types.h>    
#include<stdlib.h>                                                                                                                                                                                                
    
int main(void)    
{    
    pid_t id = fork();    
    printf("Before: pid is %d\n",getpid());    
    if(id == -1)    
    {    
        perror("fork()");    
        exit(1);    
    }    
    printf("After :pid is %d, fork return %d\n",getpid(),id);    
    sleep(1);    
    
    return 0;    
}  

运行结果：

这⾥看到了三⾏输出，⼀⾏before，两⾏after。进程24422先打印 before 消息，然后它又打印after。

另⼀个after消息是24423打印的。注意到进程24423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。

2、写时拷⻉

通常⽗⼦代码共享，⽗⼦在不写⼊时，数据也是共享的，当任意⼀⽅试图写⼊，便以写时拷⻉的⽅式构造⼀份副本。具体⻅下图：

因为有写时拷⻉技术的存在，所以⽗⼦进程得以彻底分离！完成了进程独⽴性的技术保证！

写时拷⻉，是⼀种延时申请技术，可以提⾼整机内存的使⽤率。

3、fork常规⽤法

1. 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。

2. 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。

4、fork调⽤失败的原因

1. 系统中有太多的进程
2. 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。

1、进程退出场景

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

1）echo $? 指令

echo $：会打印最近一个程序（进程）退出时的退出码。

2、进程常⻅退出⽅法

正常终⽌:

1. 从main返回

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    printf("main!");
    sleep(2);
    
    return 0;
}

2. 调⽤exit

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
    printf("main!");
    sleep(2);
    exit(23);
    
    return 0;
}

我们发现程序依旧输出了结果，原因是 exit 函数会刷新缓冲区。

3. 调用_exit

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
    printf("main!");
    sleep(2);
    _exit(23);
    
   return 0;
}

发现程序没有输出结果，原因是_exit函数不会刷新缓冲区。

异常退出：

1. ctrl + c，信号终⽌

#include<stdio.h>      
#include<unistd.h>                                                                                             
                                            
int  main()                                 
{                                           
    while(1)                                
    {                                       
        sleep(2);                                                                                 
        printf("hello world!");                                                                   
    }                                                                                             
    return 0;                                                                                     
}                                           

1）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。

除 0 以外的任何代码都被视为不成功。

Linux Shell 中的主要退出码：

• 退出码 0：表⽰命令执⾏⽆误，这是完成命令的理想状态。

• 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。

• 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 代表终⽌码。

• 可以使⽤strerror函数来获取退出码对应的描述。

2）_exit函数

#include<unistd.h>
void _exit(int status);

• 参数 status 定义了进程的终止状态，父进程通过 wait 来获取该值。
• 虽然 status 是int，但是仅有低8位可以被⽗进程所⽤。所以_exit(-1)时，在终端执⾏ $? 发现返回值是255。

3）exit函数

#include<unistd.h>
void exit(int status);

任何地方调用exit函数，都表示进程结束，并给父进程（bash）返回子进程的退出码！！

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。

从图中我们看到 exit 和 _exit 函数的区别就是：进程如果exit退出的时候，exit()会进行缓冲区的刷新，_exit()不会进行缓冲区的刷新。

4）return退出

return是⼀种更常⻅的退出进程⽅法。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。

#include<stdio.h>      
#include<string.h>      
   
int main()      
{      
    printf("hello world\n");    
                                                                                                               
    return 89;                     
} 

三、进程等待

1、进程等待必要性

• 前文提到过，⼦进程退出，如果⽗进程不管不顾，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，我们需要知道⽗进程派给⼦进程的任务完成的如何。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。

2、进程等待的⽅法

1）wait⽅法

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

返回值pid_t：成功返回被等待进程pid，失败返回-1。

status：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

示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // child
        int cnt = 3;
        while(cnt)
        {
            printf("我是一个子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(0);
    }

    sleep(5);
    // parent    
    pid_t rid = wait(NULL);
    if(rid > 0)                                                                                                                                                                                                   
    {
        printf("wait success, rid: %d\n", rid);
    }
    
    return 0;
}

2）waitpid⽅法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

返回值pid_t：

1.正常返回：返回收集到的⼦进程的进程ID。

2.如果options设置为WNOHANG时，若没有已终止的子进程可回收（子进程还在运行），waitpid 会立即返回 0，且不会阻塞父进程。

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。

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：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）

options：

默认为0，表⽰阻塞等待

WNOHANG：表示非阻塞等待（可以让等待方做自己的事情）

示例：

#include<stdio.h>      
#include<sys/types.h>      
#include<unistd.h>      
#include<stdlib.h>      
#include<sys/wait.h>     
#include<errno.h>
#include<string.h>
      
int main()      
{      
    pid_t id = fork();      
    if(id == 0)      
    {      
        // child      
        int cnt = 3;      
        while(cnt)      
        {      
            printf("我是一个子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());      
            sleep(1);      
            cnt--;      
        }      
        exit(10);   
    }      
    
    // parent 
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if(rid > 0)      
    {      
        printf("wait success, rid: %d, exit code: %d, exit signal: %d\n", rid, WEXITSTATUS(status), status&0x7F);
    }      
    else
    {
        printf("wait failed: %d: %s\n", errno, strerror(errno));
    }
      
    return 0;      
}    

• 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。

3）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）：
  

注意：

• st&0X7F：获取子进程终止的信号编号
• (st>>8)&0XFF：获取子进程的退出码

示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    printf("我的进程pid: %d, 我的父进程ppid: %d\n",getpid(), getppid());  
    pid_t pid = fork();
    if(pid == -1)
    {
        perror("fork");
        exit(1);
    }

    if(pid == 0)
    {
    	// child
        sleep(20);
        exit(10);
    }
    else 
    {
    	// parent
        int st;
        int ret = wait(&st);
        if(ret > 0 && (st&0X7F ) == 0) // WIFEXITED(st)
        {
            // 正常退出
            printf("child exit code: %d\n", (st>>8)&0XFF); // WEXITSTATUS(st)
        }
        else if(ret > 0)
        {
       		// 异常退出
            printf("sig code: %d\n", st&0X7F); // WIERMSIG(st)  
            fflush(stdout);                                                                                                                                                                
        }        
    }                                             
    return 0;   
}

运行结果：

4）阻塞与⾮阻塞等待

• 进程的阻塞等待：

#include<stdio.h>      
#include<sys/types.h>      
#include<unistd.h>      
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // child      
        int cnt = 3;
        while(cnt)
        {
            printf("我是一个子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(10);
    }

    // parent             
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0); // 阻塞等待
    if(rid > 0)
    {
		if(WIFEXITED(status))
			printf("wait success, rid: %d, exit code: %d, exit signal: %d\n", rid, WEXITSTATUS(status), status&0x7F);
		else
			printf("子进程退出异常！\n");
    }
    else
    {
        printf("wait failed: %d: %s\n", errno, strerror(errno));
    }
	
	return 0;	
}

• 进程的⾮阻塞等待：

#include<stdio.h>      
#include<sys/types.h>      
#include<unistd.h>      
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>

// 函数指针类型
typedef void (*func_t)();

#define NUM 5
func_t handlers[NUM+1];

// 如下任务
void DownLoad()
{
    printf("我是一个下载的任务...\n");
}

void Flush()
{
    printf("我是一个刷新的任务...\n");
}

void Log()
{
    printf("我是一个记录日志的任务...\n");
}

// 注册
void registerHandler(func_t h[], func_t f)
{
    int i = 0;
    for(; i< NUM; i++)
    {
        if(h[i] == NULL) 
            break;
    }

    if(i == NUM) 
        return ;

    h[i] = f;
    h[i+1] = NULL;
}

int main()
{
    registerHandler(handlers, DownLoad);
    registerHandler(handlers, Flush);
    registerHandler(handlers, Log);

    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {    
        // child          
        int cnt = 2;    
        while(cnt)    
        {
            sleep(3);
            printf("我是一个子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());    
            sleep(1);    
            cnt--;    
        }    
        exit(10);                                                                                                                                                                                                 
    }    
    
    // parent      
    while(1)
    {
        int status = 0;    
        pid_t rid = waitpid(id, &status, WNOHANG); // 非阻塞等待 
        if(rid > 0)    
        {
            printf("wait success, rid: %d, exit code: %d, exit signal: %d\n", rid, (status>>8) &0xFF, status &0x7F);
            break;
        }    
        else if(rid == 0)
        {   
            // 函数指针进行回调处理
            for(int i = 0; handlers[i]; i++)
            {
                handlers[i]();
            }
            printf("本轮调用结束，子进程也没有退出\n");
            sleep(1);
        }
        else 
        {
            printf("等待失败\n");
            break;
        }
    }
    return 0;
}