Linux之进程控制

前言

本文介绍了进程终止、进程等待、进程替换等进程控制的相关概念。

一、再识fork

我们在之前的内容中已经了解过系统调用fork，今天我们再来深入了解一下fork。

1. 我们已经知道了fork有两个返回值，但是为什么会出现这种现象呢？ fork函数的实现在操作系统内部，当这个函数准备返回时，它的核心代码已经执行完了也就是子进程已经被创建了，并且已经在OS的运行队列中准备被调度了。 fork后，有两个执行流，父子进程是共享的，所以return会被父子进程各自调度一次，也就是调度两次。

1. 为什么给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0呢？ 子进程的父进程只有一个，而父进程可以有很多个子进程，这是一个现实的事情，一个孩子只有一个父亲，而一个父亲可以有很多个孩子。 那么给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0，可以很方便的区分父子进程。
2. 同一个变量，为什么会有两个不同的值呢？ 返回的本质是写入，谁先返回，就是谁先写入，因为进程具有独立性，因此会发生写时拷贝。变量的地址相同但是内容不同。
3. fork的使用场景 （1）父进程希望子进程执行一部分父进程的代码，用if和else if将父进程和子进程的代码分隔开（现实：父亲希望子女继承家业，成为自己的帮手）； （2）父进程希望子进程执行另一个程序，用程序替换实现（现实：孩子要闯出属于自己的天地）。
4. fork失败 （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、退出码

退出码是用来标识一个进程任务执行结果的情况。因为成功只有一种情况，而失败的情况很多，因此，一般情况下0表示执行成功，非0表示执行失败。非0的数字不同，所表示的错误不同。系统对于退出码一般都有着相应的文字藐视，当然我们也可以自定义，也可以直接使用系统给定的映射关系。（例如，strerror这个函数）

文件test4.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<string.h>
  3 int main()
  4 {
  5         for(int i = 0;i < 200; ++i)
  6         {
  7                 printf("%d : %s\n",i,strerror(i));
  8         }
  9         return 0;
 10 }

运行：

可以看到strerror函数有134种系统映射好的文字描述的错误码。

三、进程终止

1.进程终止的情况

• 代码运行完，并且结果正确；
• 代码运行完，结果不正确；
• 代码未运行完，进程异常结果无意义。

2.进程退出的方法

• 从主函数（main函数）return返回；
• 程序的任意位置调用exit(code)；
• 系统调用_exit(code)；

3._exit()和exit()

_exit()和exit()不同：

• _exit是系统调用；exit是库函数，是对系统调用的上层封装。
• _exit终止进程，不会刷新缓冲区；exit终止进程，会刷新缓冲区。

• 调用exit： 文件test4.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 int main()
  4 {
  5         printf("hello world!");
  6         sleep(1);
  7         exit(1);
  8         return 0;
  9 }

• 调用_exit() 文件test4.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<stdlib.h>
  4 int main()
  5 {
  6         printf("hello world!");
  7         sleep(1);
  8         _exit(1);
  9         return 0;
 10 }

同样的代码，调用exit和调用_exit终止进程后，得到的结果却不同。exit会主动刷新缓冲区，而_exit不会主动刷新缓冲区，这是因为缓冲区所在的位置。

四、进程等待

1.进程等待的场景

之前讲进程状态的时候，我们讲到一种特殊的转态：僵尸状态：子进程退出，父进程没有等待子进程（没有回收子进程的资源），会造成子进程处于僵尸状态，造成内存泄漏，同时这种状态的进程无法被杀死（甚至是kill -9都不能杀死这个进程，因为他已经死了）。为了避免这种情况，为了让父进程知道子进程的任务完成的怎么样，我们需要让父进程通过进程等待的方式，回收子进程退出后的资源。

2.进程为什么要等待

1.父进程通过进程等待的方式回收子进程的资源； 2.父进程要获取子进程的退出信息

3.进程等待的方式

wait

**参数：**输出型参数，一般设置为status，用于获取进程的退出状态，如果不关心进程的退出状态可以设置为NULL； **返回值：**wait成功返回等待的子进程pid，等待失败返回-1。

waitpid

参数：

1. pid，设置为-1时，表示等待任意一个进程，和wait一样；也可以指定等待的进程pid，就只能等待指定的进程。
2. status，输出型参数，由操作系统填充进程退出的信息，如果传递NULL说明不关心该信息。 status不能当作一个简单的整数对待，而应该被当作一个位图看待：

它的次低8位表示它的退出状态（退出码）（（status >> 8） & 0xff）； 低7位表示终止信号（&0x7f）。

1. 设置为0时表示，阻塞式等待进程；设置为WNOHANG时，表示非阻塞式等待进程。

返回值：如果等待成功，返回所等待的进程pid；如果等待失败，则返回0。

进程等待的信息存在哪里

子进程和父进程都有各自对应PCB，当子进程退出且父进程未回收子进程资源时，子进程的退出信息以及子进程的资源信息都保存在子进程的PCB中。waitpid系统调用，以操作系统的身份执行代码，找到子进程，将输出型参数status参数传到子进程内部，把子进程的退出信息设置进status中，再将status取出，父进程就获得了子进程的退出信息。

补充

对于获取进程的退出结果，我们可以不采用对输出型参数进行位操作，因为Linux提供了对应操作的宏。

WIFEXITED（status）：若子进程为正常终止，返回的状态，则为真（查看进程是否正常退出） WEXITSTATUS(status)：若WIFEXITED为非0，则用它提取子进程的退出码（查看进程的退出码）

五、进程替换

进程替换，就是在原进程执行到一定时间是，将原进程替换成磁盘中指定的一个新的进程，然后去执行新的进程（原进程剩余部分不会执行）。

1.进程函数

注意：对于execl系列函数的参数要以NULL作为结尾（参数是可以变参数） exec系列函数的返回值，如果替换成功，则没有返回值，而替换失败则返回-1。

2.演示

execl函数：

文件mytest.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5         printf("process is running...\n");
  6         execl("/usr/bin/ls","ls","--color=auto","-a","-l",NULL);
  7         printf("process running done!");
  8         return 0;
  9 }

其他

其他函数的用法： l(list)：表示参数采用列表； v(vector)：表示参数采用数组（将所有执行的参数传入数组中进行统一传递，不用使用可变参数）； p(path)：自动搜索环境变量(PATH)； e(env)：表示自己维护环境变量。

execlp

文件mytest.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5         printf("process is running...\n");
  6         execlp("ls","ls","--color=auto","-a","-l",NULL);
  7         printf("process running done!");
  8         return 0;
  9 }

execv

文件mytest.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5         printf("process is running...\n");
  6         char* const argv[] = {
  7                 "ls",
  8                 "--color=auto",
  9                 "-a",
 10                 "-l",
 11                 NULL
 12         };
 13         execv("/usr/bin/ls",argv);
 14         printf("process running done!");
 15         return 0;
 16 }

execvp

文件mytest.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5         printf("process is running...\n");
  6         char* const argv[] = {
  7                 "ls",
  8                 "--color=auto",
  9                 "-a",
 10                 "-l",
 11                 NULL
 12         };
 13         execvp("ls",argv);
 14         printf("process running done!");
 15         return 0;
 16 }

execle

文件myprocess.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 int main()
  4 {
  5         printf("PATH:%s\n",getenv("PATH"));
  6         printf("PWD:%s\n",getenv("PWD"));
  7         printf("MYENV:%s\n",getenv("MYENV"));
  8         printf("我是一个进程\n");
  9         printf("我是一个进程\n");
 10         printf("我是一个进程\n");
 11         printf("我是一个进程\n");
 12         return 0;
 13 }

文件mytest.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5         printf("process is running...\n");
  6         char* const envi[] = {
  7                 (char*)"MYENV=123454",
  8                 NULL
  9         };
 10         execle("./myprocess","myprocess",NULL,envi);
 11         printf("process running done!");
 12         return 0;
 13 }

execve

只有它是系统调用，其他exec系列的函数都是基于它做的封装，目的是为了有更多的应用场景，有更多的选择。

3.替换原理

为什么调用替换函数后，原程序的剩余部分不再执行？

用fork创建子进程后，执行的可能是父进程相同的进程（也可能执行与父进程不同道德代码分支），子进程往往会调用exec系列的函数以执行另一个程序。 当进程调用exec系列函数时，该进程的用户空间的代码和朱家具完全被新程序替换，从新程序的启动例程开始执行。 要注意，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。

简单来说，程序替换的本质时将指定的程序的代码和数据加载到指定的位置，覆盖原本的代码和数据（即，进程替换时并没有创建新的进程）。 因此，原进程后续的代码会被新进程的代码和数据所覆盖，因此就不会执行剩余代码了。 这也是为什么只有当程序替换失败才会有返回值，因为如果替换成功就不会执行接下来的代码，返回值就无意义。

总结

以上就是今天要讲的内容，本文介绍了进程终止、进程等待、进程替换等的相关概念。本文作者目前也是正在学习Linux相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。 最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！