系统级程序设计（三 ）

进程管理之exec函数族

exec中6个函数族分别为

#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[]);

可以将exec函数族分为execl和execv两类：

• execl类：函数将以列举的形式传入参数，由于参数列表的长度不定，所以要用哨兵NULL表示列举结束；
• execv类：函数将以参数向量表传递参数，char * argv[]的形式传递文件执行时使用的参数，数组中最后一个参数为NULL；

如果没有参数char * const envp[]，则采用默认环境变量；如果有，则用传入的参数替换默认环境变量

exec_yj.c

代码

#include 
#include 
#include 
int main(){
    pid_t tempPid;
    tempPid=fork();
    if(tempPid == -1){
        perror("fork error");
        exit(1);
    } else if(tempPid > 0) {
        printf("parent process:pid=%d\n", getpid());
    } else {
        printf("child process:pid=%d\n", getpid());
        //execl("/bin/ls","-a","-l","test_exec.c",NULL);	//①
        execlp("ls","-a","-l","exec_yj.c",NULL);	//②  这里采用第二种方法
        //char *arg[]={"-a","-l","test_exec.c", NULL};	//③
        //execvp("ls", arg);
        perror("error exec\n");
        printf("child process:pid=%d\n", getpid());
    } //of if
    return 0;
} //of main

运行结果

进程退出

exit()

#include 
void exit(int status);

参数说明：

• status：表示进程的退出状态，0表示正常退出，非0表示异常退出，一般用-1或1表示；
• 为了可读性，标准C定义了两个宏：EXIT_SUCCESS和EXIT_FAILURE

_exit()

#include 
void _exit(int status);

区别

• _exit：系统会无条件停止操作，终止进程并清除进程所用内存空间及进程在内核中的各种数据结构；
• exit：对_exit进行了包装，在调用_exit()之前先检查文件的打开情况，将缓冲区中的内容写回文件。相对来说exit比_exit更为安全

特殊进程

对之前概念的补充和新概念的学习

• 孤儿进程：父进程负责回收子进程，如果父进程在子进程退出之前退出，子进程就会变成孤儿进程，此时init进程将代替父进程完成子进程的回收工作；
• 僵尸进程：调用exit函数后，该进程不会马上消失，而是留下一个称为僵尸进程的数据结构。它几乎放弃进程退出前占用的所有内存，既没有可执行代码也不能被调度，只是在进程列表中保留一个位置，记载进程的退出状态等信息供父进程回收。若父进程没有回收子进程的代码，子进程将会一直处于僵尸态。

进程同步

wait函数

#include 
pid_t wait(int *status);

• 功能：挂起进程，直至子进程变为僵尸态。回收子进程资源。若当前进程有多个子进程，只要捕获到有一个子进程变为僵尸态，就恢复执行态。
• 参数：一个int *类型的指针，保存子进程退出时的状态信息。如果参数设置为NULL，则表示不关心进程如何终止。
• 返回值：成功：子进程id；失败：返回-1，errno被设置为ECHILD
• 补充：errno 是记录系统的最后一次错误代码。 代码是一个int型的值，在errno.h中定义。 查看错误代码errno是调试程序的一个重要方法。

wait_yj.c

若子进程p1​是其父进程p的先决进程，基于wait函数使得进程同步。

代码

#include 
#include 
#include 
int main(){
	pid_t tempPid, tempW;
	tempPid = fork();
	if(tempPid == -1){
		perror("fork error");
		exit(1);
	}else if(tempPid == 0){//child
		sleep(3);
		printf("Child process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
	}else{//parent
		tempW = wait(NULL);
		printf("Catched a child process, pid = %d, ppid = %d\n", tempW, getpid());
	}//of if
	printf("......finish......\n");
	return 0;
}//of main

运行结果

把wait函数注释掉，父进程先于子进程运行并终止。因为sleep函数导致子进程进入等待队列，所以终端竞争得到了运行权。

查看发现已经被init领养。

以上是wait函数参数为空的情况，下面进行记录子进程退出状态。

wait_yj2.c

使用wait同步进程，并使用宏获取子进程的返回值。此处声明两个判断进程退出状态的宏函数：

#include 
int WIFEXITED(int status);//判断子进程是否正常退出，若是，返回非0值，否则返回0
int WEXITSTATUS(int status);//和WIFEXITED配合使用，WIFEXITED返回非0值，则使用该宏提取子进程的返回值。

代码

#include 
#include 
#include 
int main(){
    int tempStatus;
    pid_t tempPid, tempW;
    tempPid = fork();
    if(tempPid == -1){
        perror("fork error");
        exit(1);
    } else if(tempPid == 0){//子
        sleep(3);
        printf("Child process: pid=%d\n",getpid());
        exit(5);
 	}  else{//父
        tempW = wait(&tempStatus);
        if(WIFEXITED(tempStatus)){
            printf("Child process pid=%d exit normally.\n", tempW );
            printf("Return Code:%d\n",WEXITSTATUS(tempStatus));
        } else {
            printf("Child process pid=%d exit abnormally.\n", tempW);
        }//of if
    }//of if
    return 0;
}//of main

运行结果

waitPid函数

#include 
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

• 功能：waitpid是基于wait函数的，wait函数有一个缺点：当有很多个子进程的时候，wait函数无法保证所有子进程在父进程之前执行。（只是捕捉到一个僵尸态进程而已）
  而waitpid则可以指定子进程，也可以在父进程不阻塞的情况下获取子进程状态。
• 参数：
  pid：指定进程组、进程号
  1.>0：等待进程号为pid的子进程退出，若退出，函数返回；若未结束，一直等待

2. =0：等待同一进程组的所有子进程退出，注意，若某进程进入其他进程组，则waitpid则不再关心他的状态
3. -1：退化为waitpid函数
4. <-1：等待指定进程组中的任何子进程，进程组的id等于pid的绝对值
   options：提供控制选项，可以是一个常量，也可以是|连接的两个常量

1 WNOHANG：如果子进程没有终止，waitpid不会阻塞父进程，会立即返回；
2. WUNTRACED：如果子进程暂停执行，waitpid立即返回；
3. 0：不使用选项。

• 返回值：成功：返回捕捉到的子进程id
  0：options=WNOHANG，waitpid发现没有已退出的子进程可回收；-1：出错，errno被设置

waitPid_yj.c

父进程等待进程组中指定子进程，该进程不退出，则父进程一直阻塞。

代码

#include 
#include 
#include 
int main(){
	pid_t tempPid, tempP, tempW;
	tempPid= fork();							//创建第一个子进程
	if (tempPid == -1){							
		perror("fork1 error");
		exit(1);
	} else if (tempPid == 0){						//子进程沉睡
		sleep(5);
		printf("First child process:pid=%d\n", getpid());
	} else {						//父进程继续创建进程
		int i;
		tempP = tempPid;
		for (i = 0; i < 3; i++){					//由父进程创建3个子进程
			if ((tempPid = fork()) == 0){
				break;
			}//of if
		}//of for i
		if (tempPid == -1){						//出错
			perror("fork error");
			exit(2);
		} else if (tempPid == 0){					//子进程
			printf("Child process:pid=%d\n", getpid());
			exit(0);
		} else {					//父进程
			tempW = waitpid(tempP, NULL, 0);			//等待第一个子进程执行
			if (tempW == tempP){
				printf("Catch a child Process: pid=%d\n", tempW);
			}else{
				printf("waitpid error\n");
			}//of if
		}//of if
	}//of if
	return 0;
}//of main

运行结果

waitPid2_yj.c

基于waitpid函数不断获取子进程的状态。

代码

#include 
#include 
#include 
#include 
int main(){
    pid_t tempPid,tempP,tempW;
    tempPid = fork();
    if(tempPid == -1){
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else if(tempPid == 0){//child
        sleep(5);
        printf("First child process : pid = %d\n",getpid());
    }else{
        int i;
        tempP=tempPid;
        for(i=0; i < 3; i++){
            if((tempPid=fork())==0){
                break;
            }//of if
        }//of for
        if(tempPid == -1){
            perror("fork error");
			exit(2);
        }else if(tempPid == 0){
            printf("Child process : pid = %d\n",getpid());
            exit(0);
        }else{
            tempW = waitpid(tempP, NULL, 0);
            if(tempW == tempP){
                printf(" Catch a child Process: pid = %d\n",tempW);
            }else{
                printf("waitpid error\n");
            }//of if
        }//of if
    }//of if
    return 0;
}//of main

运行结果

父进程可以通过wait()和waitpid()函数可以有效防止僵尸进程的产生，对于已存在的僵尸进程，则可通过杀死其父进程的方法解决，当僵尸进程的父进程被终止后，僵尸进程将作为孤儿进程被init进程接收，init进程会不断调用wait()函数获取子进程状态，对已处于僵尸态的进程进行处理。所以说，孤儿进程永远不会成为僵尸进程。

课堂作业

创建一个子进程，使父子进程分别打印不同的内容；创建一个子进程，使子进程通过exec更改代码段，执行cat命令。整合到如下：

代码

#include 
#include 
#include 
int main(){
    pid_t tempPid;
    tempPid=fork();
    if(tempPid == -1){
        perror("fork error");
        exit(1);
    } else if(tempPid > 0) {
        printf("parent process:pid=%d\n", getpid());
    } else {
        printf("child process:pid=%d\n", getpid());
        //char *arg[]={"/home/bonjour/桌面/file", NULL};
        //execvp("cat", arg);
        execl("/bin/cat","cat","/home/bonjour/桌面/file",NULL);
        perror("error exec\n");
        printf("child process:pid=%d\n", getpid());
    } //of if
    return 0;
} //of main

运行结果

总结

学会了使用exec(),exit(), wait(), waitpidf() 等函数，对进程管理和进程同步有了更深的理解。