【Linux】Linux进程控制——进程创建、进程终止及进程等待详解

P_M_P

发布于 2024-08-15 15:14:27

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代码可运行

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代码可运行

⭐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：

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;
}   

运行结果：
[root@localhost linux]# ./a.out
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677 After:pid is 43677, fork return 0

这里看到了三行输出，一行 before ，两行 after 。进程 43676 先打印 before 消息，然后它有打印 after 。另一个 after消息有43677 打印的。注意到进程 43677 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。

fork()的返回值

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：

节省内存：在数据仅被读取时，无需进行数据的复制，节省了内存资源。
提高读操作效率：由于读操作可以直接访问共享内存，因此提高了读操作的效率。
适用于读多写少的场景：在数据被频繁读取而写操作相对较少的场景下，写时拷贝技术能够显著提升系统性能。

📖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

⭐进程终止

📖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
代码运行完毕，结果正不正确看退出码；代码异常终止时，看退出信号；
所以衡量一个进程的退出，我们只需要关注退出码（告诉父进程）和退出信号（os发出信号）。

📖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echo $?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：

执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。
关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
调用_exit()

exit()会在退出进程的时候，冲刷缓冲区（不是内核缓冲区），_exit()不会

实例：

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。非main函数的return，表示函数的结束而不是进程的结束。

⭐进程等待

📖进程等待的必要性

在Linux进程提到过，子进程退出，父进程如果不管不顾，不读取子进程的退出信息，就可能造成“僵尸进程”的问题，进而造成内存泄漏。
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，父进程也需要知道。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。

📖进程等待的方法

✨wait()

#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()

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。

注：

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（即阻塞等待）。
如果不存在该子进程，则立即出错返回。

📖获取子进程的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（只关注status低16比特位）：

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.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<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
     pid_t pid;
     pid = fork();
     if(pid < 0)
     {
         printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
         return 1;
     }
     else if( pid == 0 )
     { 
         //child
        printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
        sleep(5);
        exit(1);
     } 
     else
     {
         //father
         int status = 0;
         pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5S
         printf("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>
#include <sys/types.h>
int main()
{
     pid_t pid;
 
     pid = fork();
     if(pid < 0){
     printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
     return 1;
     }
     else if( pid == 0 )
     { 
        //child
         printf("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;
}