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Linux 进程控制

2025/1/3 3:59:09 来源：https://blog.csdn.net/weixin_63219391/article/details/140251350  浏览:  次   关键词：Linux 进程控制

1、进程创建

fork函数初识

        在linux中fork函数时非常重要的函数，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：自进程中返回0，父进程返回子进程id，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，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<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<stdio.h>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;
}

这里看到了三行输出，一行before，两行after。进程31075先打印before消息，然后它有打印after。另一个after 消息有31076打印的。注意到进程31076没有打印before，为什么呢？

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。

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

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:

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，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

2、进程终止

2.1 进程退出场景

  • 代码运行完毕
  • 结果正确 代码运行完毕
  • 结果不正确 代码异常终止

2.2 进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

  • 从main返回
  • 调用exit
  •  _exit

异常退出

  • ctrl + c，信号终止

_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

说明：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

exit函数

#include <unistd.h>

void exit(int status);

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

int main()
{printf("hello");exit(0);
}运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#int main()
{printf("hello");_exit(0);
}运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#

return退出

return是一种更常见的退出进程方法。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。

3、进程等待

3.1 进程等待必要性

  • 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。
  • 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

3.2 进程等待的方法

wait方法

#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

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：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ID。
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。*/

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）：

//测试代码：
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include<pthread.h>
int main(void)
{pid_t pid;if ((pid = fork()) == -1)perror("fork"), exit(1);if (pid == 0){sleep(20);exit(10);}else{int st;int ret = wait(&st);if (ret > 0 && (st & 0X7F) == 0){ // 正常退出printf("child exit code:%d\n", (st >> 8) & 0XFF);}else if (ret > 0){ // 异常退出printf("sig code : %d\n", st & 0X7F);}}
}

进程的阻塞等待方式：

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0){printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);return 1;}else if (pid == 0){ // childprintf("child is run, pid is : %d\n", getpid());sleep(5);exit(257);}else{int status = 0;pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0); // 阻塞式等待，等待5Sprintf("this is test for wait\n");if (WIFEXITED(status) && ret == pid){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}return 0;
}

进程的非阻塞等待方式：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0){printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);return 1;}else if (pid == 0){ // childprintf("child is run, pid is : %d\n", getpid());sleep(5);exit(1);}else{int status = 0;pid_t ret = 0;do{ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞式等待if (ret == 0){printf("child is running\n");}sleep(1);} while (ret == 0);if (WIFEXITED(status) && ret == pid){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}return 0;
}

4、进程程序替换

4.1 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。

4.2 替换函数

#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[]);

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。

命名理解

  • 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

exec调用举例如下:

#include <unistd.h>
int main()
{char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);// 带e的，需要自己组装环境变量execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);execv("/bin/ps", argv);// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径execvp("ps", argv);// 带e的，需要自己组装环境变量execve("/bin/ps", argv, envp);exit(0);
}

5、简易的shell

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>#define NUM 1024
#define SIZE 32
#define SEP " "//保存完整的命令行字符串
char cmd_line[NUM];
//保存打散之后的命令行字符串
char *g_argv[SIZE];
//写一个环境变量buffer，用来测试
char g_myval[64];//shell运行原理：让子进程执行命令，父进程2等待&&解析命令
int main(){extern char**environ;while(1){printf("[root@localhost myshell]#");fflush(stdout);memset(cmd_line,'\0',sizeof cmd_line);//获取用户键盘输入if(fgets(cmd_line,sizeof cmd_line,stdin)==NULL){continue;}cmd_line[strlen(cmd_line)-1]='\0';g_argv[0]=strtok(cmd_line,SEP);int index=1;if(strcmp(g_argv[0],"ls")==0){g_argv[index++]="--color=auto";}if(strcmp(g_argv[0],"ll")==0){g_argv[0]="ls";g_argv[index++]="-l";g_argv[index++]="--color=auto";}while(g_argv[index++]=strtok(NULL,SEP));if(strcmp(g_argv[0],"export")==0&&g_argv[1]!=NULL){strcpy(g_myval,g_argv[1]);int ret = putenv(g_myval);if(ret==0){printf("%s export success\n",g_argv[1]);continue;}}//内置命令，让父进程自己执行命令，叫做内置命令，内建命令//内建命令本质上是shell的一种函数调用。if(strcmp(g_argv[0],"cd")==0){if(g_argv[1]!=NULL) chdir(g_argv[1]);continue;}pid_t id=fork();if(id==0){//子进程printf("子进程执行：\n");printf("child MYVAL: %s\n",getenv("MYVAL"));printf("child PATH: %s\n",getenv("PATH"));execvp(g_argv[0],g_argv);exit(1);} int status=0;pid_t ret=waitpid(id,&status,0);if(ret>0){printf("exit code: %s\n",WEXITSTATUS(status));}}
}

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