Linux 系统编程 进程篇 （六）

文章目录

• [Linux 系统编程 进程篇 （六）](#Linux 系统编程 进程篇 （六）)
• • [1 进程控制](#1 进程控制)
  • • [1.1 进程创建](#1.1 进程创建)
    • [1.2 进程终止](#1.2 进程终止)
    • • [1.2.1 进程退出](#1.2.1 进程退出)
      • [1.2.2 常见进程退出的方法](#1.2.2 常见进程退出的方法)
  • [1.3 进程等待](#1.3 进程等待)
  • • [1.3.1 进程等待的必要性](#1.3.1 进程等待的必要性)
    • [1.3.2 进程等待是什么，怎么做](#1.3.2 进程等待是什么，怎么做)
    • • [wait 方法](#wait 方法)
      • [waitpid 方法](#waitpid 方法)

Linux 系统编程 进程篇 （六）

1 进程控制

上一篇里面，我们写到了进程地址空间，进程地址空间。接下来我们来谈谈这个进程控制

1.1 进程创建

进程创建我们在初识进程的时候已经见过了，就是使用 fork() 函数来创建子进程。

这里就不过多地赘述了。 当我们使用 fork() 以后，内核会把新的内存块和内核数据结构给给子进程，然后拷贝父进程的程序地址空间，页表什么的，然后添加子进程到调度队列里面，最后CPU调度。这些以前都提到过。

frok() 函数的返回值，给子进程返回 0 ，给父进程返回子进程pid。这里注意， fork之后，子进程和父进程谁先执行完，全由调度器决定。

子进程要修改父进程中同名变量的时候，会发生写实拷贝。原理和为什么要写实拷贝都提到过了。

fork的常规用法，之前我们用过的一个是根据返回值来让父子进程执行不同的 if-else 语句。 还有一种用大就是让子进程来执行不同的可执行程序，通过调用 exec 系列函数。

思考一下，如果让子进程调用的是另一个操作系统呢？父子进程互相不影响，具有独立性，这样两个不同的操作系统就跑起来了。这就是内核级虚拟机的原理。

fork失败的原因，fork也是可能失败的，一个原因是这个操作系统里面的进程太多了，操作系统对这个是有这个进程上限的，这个很好理解。 第二个原因就是实际用户的进程数超过限制，操作系统是公平的，对每个用户拥有的进程也是有限的。

1.2 进程终止

1.2.1 进程退出

刚在的进程创建执行完了以后，我们来聊聊进程终止。

思考一下，进程退出，有几种情况？

0. 代码运行完毕，结果正确。
1. 代码运行完毕，结果错误。
2. 代码异常终止

我们现在先主要聊聊前两个，进程异常终止呢，这个有些不一样，后面慢慢对比引入。

首先，我们怎么判定进程运行完毕，结果是正确还是错误呢？ 根据 main 函数的返回值。 换句话说， main 函数的返回值就代表了我们程序的运行情况。

有的时候 main 函数可以不写返回值，也不写return语句 默认就是 int ，返回 0 。

我们通常写小程序的时候，会直接就是返回 0 ， 0 就是程序正常退出的意思。 除此之外， 返回值还可以是正整数，代表程序异常退出。 main 函数的返回值呢，也是 这个程序或者说进程的退出码。

为什么要分为 0 和 非零正整数呢？ 因为错误原因可能有很多个，正确的话，说实话就不需要原因了。

那么问题又来了？我们如果通过这个退出码，来确定这个错误的原因是什么呢，毕竟退出码都是数字。

还记得我们在学习C语言里面的字符串函数的时候，有过这样一个函数 strerror ：

我们传入一个错误码，这个函数就会返回一个这个错误原因的这个字符串。

说到这个错误码，大家有没有想起以前学过的 errno ，这个是程序的错误码，当程序出现错误的时候，这个 errno 的值就会被自动处理，同样是使用 strerror 打印出来。 要使用这个 errno ，要包含头文件 <errno.h>

同样，我们把这个结果错误退出的退出码填进去，我们看看效果：

可以看到，这个退出码都对应着不同的错误，当退出码是 0 的时候，是成功。 在linux里面，有意义的退出码一共是134个。

剩下的打印多少都是unknown。

至于代码异常终止，相信大家也都可能见过，比如说这个访问到空指针了之类的。程序发生异常终止的话，一般是进程收到信号了，此时的退出码无意义。后续详细说，这里先抛出来。

我们可以通过指令 echo ? 来查询上一个进程的退出码。注意，是上一个。 这里的 ？里面就存着退出码， 通过这个 来查看。

思考一下，为为什么要有进程退出码。子进程是不是进程？肯定是进程。是父进程创建的。父进程创建子进程一定是想让子进程完成一些事情，所以，子进程不管怎么退出的，还是异常终止了，要把这个执行的结果传回来。

那么这个进程的退出码存在哪里呢？ 写在自己的 task_struct 内部的。 而我们的进程父进程都是bash，所以通过 echo 就可以拿到 bash 子进程的退出码。

1.2.2 常见进程退出的方法

首先第一个就是我们这个从 main 函数返回。除此之外， 我们还和有使用这个 exit 接口：

这歌exit使用的时候，传参的时候传入的是退出码，自己随便想怎么退出怎么退出，毕竟是自己的程序肯定能认出来。

那么，这个函数的和这个 return 的区别是什么呢？

首先，如果在 main 函数里面，这两个东西效果是一模一样的。 但是， exit 是个函数， 可以在任意函数里面调用，如果不在 main 函数里面的话，使用return是退不出来的，只能使用 exit。

还有一个是 _exit

看起来这个 _exit 和 exit 使用上没什么区别。实际上是有的。 _exit 是系统调用， exit 就是封装了这个 _exit 才实现退出的，除此之外还做了一些其它的事情, 比如说，这个执行用户通过通过这个 atexit 或者 on_exit 定义的清理函数，关闭所有打开的流，刷新缓冲区，最后再调用 _exit。 _exit 就是直接就退出了。

所以，exit 和 _exit 就是库函数和系统调用之间的关系。还有一个现象是什么呢？ exit() 退出的时候，会进行行刷新缓冲区，但是 _exit 退出就不会刷新行缓冲区。

这里，我们就可以引出一个结论，为后面讲缓冲区的时候做铺垫， 这个被刷新的缓冲区一定不是操作系统的缓冲区，因为调递推调用没有刷新。这个缓冲区一定是C语言库提供的缓冲区。

话说回来，如果是程序异常终止的话，可以直接 kill -9， 或者是 ctrl + c;

1.3 进程等待

1.3.1 进程等待的必要性

什么是进程等待，通俗一说就是父进程继续执行的时候要等待子进程结束。为什么要进行进程等待？

之前我们讲过，如果父进程在子进程退出的时候不管不顾，就会造成僵尸进程，从而内存泄漏。我们之前也见过，进程进入僵尸以后是杀不掉的，kill -9 也不行，操作系统就处理不了了。因为谁也没办法杀掉一个死去的进程，只能由父进程来处理回收。

最后，子进程执行的结果，父进程肯定要知道，从而进行进一步的操作。所以，进程等待是非常有必要的。

注意，父进程通过进程等待的方式一定要去回收掉子进程，但是不一定要去获取子进程的退出信息，这个是可选的，因为父进程和子进程之间的操作当然是可以没关系的。

1.3.2 进程等待是什么，怎么做

进程等阿迪是通过两个系统调用来进程操作的

一个是 wait 一个是 waitpid。

wait 方法

wait 这个进程调用呢，就是可以来回收子进程的。他的返回值是这个返回被等待成功的进程的 pid_t ，如果失败返回 -1.

注意啊，这里的等待的意思是等待并回收，回收也是他做的。

他的参数呢，是一个输出型参数，什么是输出型参数。思考一下，我们期望的不仅是拿到这个进程被等待的结果，我们还想拿到这个进程执行完之后的退出信息，但是函数只能返回 1 个值，所以我们想让他返回多个值的话，可以直接在外面定义一个参数，指针传进去，然后直接修改，得到我们期望的第二个值。所以，这就是输出型参数。

但是呢？我们发现这个 wait 并没有让我们指定进程，使用 wait的时候，谁先结束回收谁，如果想要这个精细化控制的话，可以使用 waitpid，后面会讲。

细心的同学发现了，我们想要拿到的，是这个进程退出信息，不就是我们之前提到的退出码吗？可以看到这个参数的名字都差不多，都是类似 status 。但真的是这样吗？

可以看到， 9 9我们这里让自己的退出码是 1 ，

可以看到，我们拿到的 status 并不是 1 ，而是 256 。这是为什么呢？

我们还可以得到一个结论，等待子进程的时候，父进程会阻塞在 wait ，等待子进程结束类似 scanf 的输入。

其实，这里的status和我们之前的有所不同。我们之前拿到的退出码是在这个 status 的基础上拿到的。

那么这个 status 是什么设计的呢？还记得之前的 O（1）调度算法中的bitmap位图吗？这里的status同样是用到了位运算。

首先呢，这个 status 是 32 个比特位，一个整形嘛。我们这里只用到了这个status的低16位。在这个底16位里面，前八位，也就是 15 ~ 8 位，是我们进程退出的退出码， 后 8 个位里面，首先，第八个位，也就是 7 位，是一个 core dump标志，这个我们先不用管，而后的七个位，是这个终止信号，也就是程序异常终止时，进程退出的信号。

如果进程没有异常的话，默认后八位都是 0 。

说到这里呢，就要来谈谈这个信号了。记得我们之前用过的信号 kill -9 或者说 -18 -19，那么信号是什么呢？信号其实也是一个宏，就是一个整数，来看：

可以看到 9 号信号，就是我们之前提到过的杀进程的信号。

可以看到，我们对应的信号就是个宏。可以看看 user/include/asm/signal.h 打开看看，就可以看到信号。

当这个程序异常终止的时候，比如说访问空指针，或者，除以零了，或者说被 kill -9 杀掉了还是怎么了，异常终止了，后七位就会被改成相应的信号的值。这时，我们会发现，为什么没有零信号？

因为没有异常退出的时候，后 7 位就是 0 ， core dump 默认也是 0 。我们用到的是退出码。

而程序异常终止，我们修改的是后 7 个位，前面的退出码部分是不用的，所以，这也是我们之前说的，进程异常终止的时候，退出码是没有意义的。

所以，为什么我们设置的退出码是 1 ，而 status 是这个 256，我们也就知道了 2^8 嘛，想要拿到退出码的话，只需要这个status右移 8 位就 ok 。

当然，一般情况下呢，这个status不用我们手动去像什么右移，按位与来操作，有几个宏可以帮助我们直接就拿到想要的结果，这里介绍两个，

第一个就是 WIFEXITED(status) ： 若正常终止子进程的返回的状态则为真， 用来查看进程是否正常退出。

第二个就是这个 WEXITSTATUS(status) 这个就是，若WIFEXITED非零， 提取子进程退出码， 查看进程退出码用的。

当然，如果不想要这个status的话，直接传一个 NULL 就好了。

那么这个是怎么做到的呢？当子进程退出的时候，进入僵尸状态，他的代码和数据可以释放掉不管他，但是这个PCB一定要留下，供父进程查看退出信息。而这个 子进程的僵尸的 task_struct 里面，一定放着这个 exit_code 和 exit_signal

当父进程调用这个 waitpid的时候，调用了系统调用，OS去这个子进程的task_struct里面去拿到这两个变量。然后返回到这个 status 里面。

其实，我们之前用到的 getpid ， getppid 也是差不多的原理，都是去这个task_struct里面拿到对应的信息给用户。

至于，怎么把这个错误码在main函数结束以后，放到这个 task_struct 里面，就需要这个操作系统和编译器给咱们的程序加点东西了。

bash 想要拿到对应的进程退出码，也是一个道理。操作系统可以很简单拿到对应的退出信息，也可以很简单的处理这些退出信息。

waitpid 方法

可以看到 waitpid 和刚才的 pid 比就多了两个参数而已。 之前提到过 ， wait 随便等待，谁先遇到他他就等待谁。

这个 waitpid 呢，就是等待特定的进程，传入 pid 就好。 如果第一个 pid 参数传 -1 的话，效果就和 wait 就一样了。

status 和之前的也是一样的，不过多赘述了。

来看第三个参数，是一个选项？这是什么呢？这个 options 默认我们在使用的时候传入的是 0。

可以看到这个参数就是有四个返回值，前面 <= -1 的，我们先不管。然后呢，当等待成功，返回 pid ，当等待失败返回0。

这和 wait 一样。

但是，这里的选项如果传入这个WNOHOANG， 这就不一样了，当等待成功返回 pid ，检查时子进程没有退出，返回 0， 当出错后，则返回 -1 ， errno 被设置。

这个 W NO HANG是什么意思呢？ 我们的电脑或者程序卡死了，其实这也叫 夯 住了，这个 WNOHANG 的意思 不要夯住。

我们之前说，在子进程结束之前，父进程会阻塞在 wait 的地方等待，这里我WNOHANG就是让父进程不阻塞等待。

怎么办到的呢？我们举个例子。

马上就要期末考试了，张三有些焦虑，害怕挂科。李四呢，天天记笔记，比较认真，张三就想请李四吃个饭，然后让他帮忙辅导辅导。等张三到了李四楼下，给李四打电话，李四说还没复习完，让张三等等。张三挂了电话就在楼下一直等着，啥也干不了就先等李四下来。

后来期这一课考完了，张三爽完一整晚。结果快睡觉了，舍友一说明天考操作系统的事，张三懵大杯了，赶紧又跑到李四楼下，给李四打电话再请他吃个夜宵。这次，李四刚要挂电话，张三就说，咱先别挂了，你什么时候好了和我说一声，李四答应了。然后张三在楼下一边看操作系统的课本，一边一会儿问一次李四好没好，一会儿问一次李四好没好。

第一个例子呢，张三就是父进程在阻塞调用。而第二个明显不一样，张三等待期间还可以干点自己的事，这个叫非阻塞调用。换句话说，非阻塞调用就是可以让父进程在等待的时候，还可以干点自己的事。而，这个张三在非阻塞调用的时候一遍一遍地问李四好没好，这个就叫非阻塞轮询，一直到李四好了。通过一个循环来实现就好。

所以，这个WNOHANG的选项就是让父进程在等待的过程中可以做自己的事，然后通过这个非阻塞轮询来等待这个子进程。这里用一个循环来实现就好。

这样，父进程再等待的过程中就可以做自己的事情。

还有一件事请，这个非阻塞调用的效率不用我说大家也知道更高，但是，这个效率高是张三效率高因为可以做自己的事，而不是李四效率高。

再补一句奥，非阻塞英文可以说None Block。

一直到李四好了。通过一个循环来实现就好。

所以，这个WNOHANG的选项就是让父进程在等待的过程中可以做自己的事，然后通过这个非阻塞轮询来等待这个子进程。这里用一个循环来实现就好。

外链图片转存中...(img-1diicJjB-1777348880280)

这样，父进程再等待的过程中就可以做自己的事情。

还有一件事请，这个非阻塞调用的效率不用我说大家也知道更高，但是，这个效率高是张三效率高因为可以做自己的事，而不是李四效率高。

再补一句奥，非阻塞英文可以说None Block。

所以，我们命令行里面sleep的时候呢，为什么输入命令的时候没反应，就是因为这个bash在阻塞等待捏。