[OS-Linux]详解Linux进程控制

本文基于CentOS，深入解释进程的创建，进程等待，进程程序替换，进程终止，shell运行原理，做简单的shell。

目录

一、进程创建

1. fork函数

2. fork函数返回值

3. 写时拷贝

4. fork用法

5. fork调用失败的原因

二、进程终止

1.进程常见退出方法

2._exit函数

3. exit函数

4.return退出 

三、进程等待

1. wait方法

2. waitpid方法

 3. 获取子进程status

进程的非阻塞等待方式：

四、进程程序替换

1.替换原理

2. 替换函数 

五、简单shell

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一、进程创建

1. fork函数

在linux中fork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 
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，内核会进行：
       （1）分配新的内存块和内核数据结构给子进程；
       （2） 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程；
       （3） 添加子进程到系统进程列表当中；
       （4） 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。fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。fork之后，谁先执行完全由调度器
决定。

2. fork函数返回值

        子进程返回0，
        父进程返回的是子进程的pid。

3. 写时拷贝

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:

内核只为新生成的子进程创建虚拟空间结构，它们来复制于父进程的虚拟究竟结构，但是不为这些段分配物理内存，任何段都不分配,它们共享父进程的物理空间，当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段分配物理空间。

4. fork用法

        父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。
        进程要执行一个不同的程序。

5. fork调用失败的原因

fork调用失败的原因主要包括：

        系统中有太多的进程
        实际用户的进程数超过了限制

二、进程终止

当进程完成执行最后语句并且通过系统调用 exit() 请求操作系统删除自身时，进程终止。这时，进程可以返回状态值（通常为整数）到父进程（通过系统调用 wait()）。所有进程资源，如物理和虚拟内存、打开文件和 I/O 缓冲区等，会由操作系统释放。
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

1.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

2._exit函数

可以在程序的任何地方使用。

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 
void exit(int status);

exit最后也会调用exit, 但在调用exit之前，还会进行：
        （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。

4.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。

三、进程等待

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。进程一旦变成僵尸状态kill -9 也无能为力。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。

1. wait方法

#include
#include

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

2. 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。

 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）：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

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：

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(257);
    } else{
        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：

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;
}

四、进程程序替换

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。

2. 替换函数 

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

#include 

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[]);

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。

这些函数原型中：

        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

函数名	参数格式	是否带路径	是否是使用当前的环境变量
execl	列表	不是	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	不是	不是
execv	数组	不是	是
execvp	数组	是	是
execve	数组	不是	不是

示例：

#include 

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);
}

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示：

五、简单shell

Shell 是一个用 C 语言编写的程序，它是用户使用 Linux 的桥梁。Shell 既是一种命令语言，又是一种程序设计语言。

Shell 是指一种应用程序，这个应用程序提供了一个界面，用户通过这个界面访问操作系统内核的服务。

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束。

然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序 并等待这个进程结束。
所以要写一个shell，需要循环以下过程:
        （1）获取命令行
        （2）解析命令行
        （3）建立一个子进程（fork）
        （4） 替换子进程（execvp） 

        （5）父进程等待子进程退出（wait）

实现代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MAX 1024    //命令最大长度
#define NUM 32      //命令拆分后的最大个数

int main()
{
  char cmd[MAX];
  char * argv[NUM];
  
  while(1)
  {
    printf("[Zht@aliyun code]$ ");

    fgets(cmd, MAX, stdin);

    cmd[strlen(cmd) - 1]  = '\0';

//拆分命令
    argv[0] = strtok(cmd, " ");   //第一个位置为指令
    int i = 1;
    while(argv[i] = strtok(NULL, " "))
    {
        i++;
    }

    pid_t id = fork();

    if(id == 0)
    {

      execvp(argv[0], argv);   //子进程程序替换
      exit(1);

    }

    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);      //等待子程序结束
    if(ret > 0)
    {
      printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
  }

  return 0;
  
}