＜Linux进程控制(1)＞——《Linux》

目录

1.进程创建

1.1 fork函数初识

1.2 写时拷贝

1.3 fork常规用法

1.4 fork调用失败的原因

2.进程终止

2.1进程退出场景

2.2进程常见退出方法

3. 进程等待

3.1进程等待必要性

3.2进程等待的方法

3.2.1wait方法

3.2.1waitpid方法

 3.3 获取子进程status

3.4 具体代码实现

3.4.1进程的阻塞等待方式

3.4.2进程的非阻塞等待方式：

后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                       ——By 作者：新晓·故知

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1.进程创建

1.1 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
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。写一段程序用于演示：

#include
#include
#include
 
int main()
{
  printf("我是一个进程：pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
  fork();
  printf("已调用fork()函数，我依旧是一个进程：pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
  return 0;
}

fork之后，有两个进程，父子进程共享所有的代码！但子进程执行的后续代码!=共享的所有代码，只不过子进程只能从这里开始执行！

可以通过vfork+return验证！

进程=内核的进程数据结构+进程的代码和数据。

fork之后，创建子进程的内核数据结构（struct task_struct+struct mm_struct + 页表）+代码继承父进程，数据以写时拷贝的方式，来进行共享！

fork函数返回值

• 子进程返回0，
• 父进程返回的是子进程的pid。

1.2 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：

写时拷贝本身就是由OS的内存管理模块实现的！

为什么要写时拷贝？

创建子进程的时候，就把数据分开不行吗？这种方案是可以的，但是不选择这样做：因为父进程的数据子进程不一定全用，避免浪费空间！即便使用，也不一定全部写入！且最理想的情况：只有会被父子进程修改的数据进行分离拷贝，不需要修改的数据共享即可，但这从技术角度实现复杂！如果fork的时候，就直接拷贝数据给子进程，这会增加fork的成本（内存和时间）因此采用写时拷贝！

写时拷贝的好处：只会拷贝父子进程修改的（拷贝数据的最小成本）。只读的数据共享！

但拷贝的成本依旧存在！而写时拷贝本质上是延迟拷贝策略，只有真正使用的时候才传递（你想要资源，但是不立马使用，那就先不给你，那也就意味着可以先给别人，这样变相的提高资源利用率）。

1.3 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。

1.4 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

 

统计失败前，已创建的子进程个数： 

#include
#include
#include

int cnt=0;
int main()
{
  for(; ;)
  {
    pid_t id=fork();
    if(id<0)
    {
      printf("创建子进程失败！已创建的子进程个数 cnt:%d\n",cnt);
      break;
    }
    if(id==0)
    {
      printf("我是一个子进程，我得pid:%d\n",getpid());
      sleep(200);
      exit(0);
    }
    cnt++;  //统计 父进程创建的子进程个数
  }
  return 0;
}

 

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）：

1. 从main返回

2. 调用exit

3. _exit

异常退出：

ctrl + c，信号终止

_exit函数：

#include 
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 
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

 

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。

C/C++中main函数是程序的入口，那return 0是给谁return？为何是0？其他值可以吗？

return是进程代码执行完，把结果是否做正确返回！（0：sucess,!0:fail）非零标识不同失败的原因！因此将return X称为进程退出码，表征进程退出信息！这个退出信息让父进程读取！（父进程创建子进程是要让子进程帮父进程做一些事情），因此return给了父进程！

$?：在bash中，最近一次执行完毕时，对应进程的退出码！ 

 

一般而言，失败的非零值该如何设置？以及默认表达的含义？

可以随便设置。但OS是如何处理呢？

写一段C语言程序查看C语言处理： 

 错误退出码可以对应不同的错误原因，方便定位问题！

关于进程终止的常见做法：

1.在main函数中return，（非main函数中return不代表进程退出，只代表函数结束）

2.在自己的代码任意地点中，调用exit（）函数。（或_exit()函数）

 

exit终止进程，会刷新缓冲区，_exit直接终止进程，不会刷新缓冲区! 

关于进程终止，内核做了什么？

进程=内核结构+进程代码和数据。进程终止，内核会释放进程代码和数据，但可能并不会释放进程的内核数据结构！我们知道，创建对象：1.开辟空间2.初始化。而进程终止时，内核可能不会释放内核的数据结构，只是将其设置为无效，进行维护！当再次创建时，节省时间成本。这里维护与内核的数据结构缓冲池有关，（slab分派器）（多次高频度创建结构，就会考虑使用数据结构池） 

exit与_exit举例：

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

3.2.1wait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

3.2.1waitpid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。

模拟进程等待：

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
  pid_t id=fork();
  if(id==0)
  {
    //id==0:子进程
    while(1)
    {
      printf("我是子进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
    }
  }
  else
  { 
    //id>0:父进程
      printf("我是父进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      printf("我准备等待子进程\n");
      sleep(40);
      pid_t ret=wait(NULL);
      if(ret<0)
      {
        printf("等待失败！\n");
      }
      else
      {
        printf("等待成功！ result: %d\n",ret);
      }
      sleep(20);
    
  }
  return 0;
}

 

先终止子进程，让父进程等待：  

 使用waitpid（）函数接口：

pid_t wait(int *status); 

wait等待任意一个退出的子进程！

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

返回值pid_t >0:等待子进程成功，返回值就是子进程的pid

返回值pid_t <0:等待失败

pid>0:pid是几，就代表等待哪一个子进程

pid = -1:等待任意进程！

options =0：阻塞等待

status：指针参数，是一个输出型参数：通过调用该函数，从函数内部拿出来特定的数据！

其实就是从操作系统拿出来！

当父进程等待子进程时：

1.子进程执行完正常退出后，子进程会将自己的退出信息写入自己的task_struct结构，父进程调用wait/waitpid()会从操作系统找到子进程的task_struct获取退出信息（从子进程的进程控制块中获取）。

2.子进程没有正常执行完（没有退出），那么父进程就必须阻塞等待，等子进程退出后，才能正式拿出来。

注：

wait/waitpid（）是系统调用！

 

关于status：只需要关心该整数的低16bit位！（32bit /整数） 这16个bit位被分为3部分。

 9~16bit位：（退出状态）

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
  pid_t id=fork();
  if(id==0)
  {
    //id==0:子进程
    int cnt=5;
    while(1)
    {
      printf("我是子进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      cnt--;
      if(!cnt)
      {
        break;
      }
    }
    exit(23);
  }
  else
  { 
    //id>0:父进程
      printf("我是父进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      printf("我准备等待子进程\n");
      int status=0;
      pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
      if(ret>0)
      {
        printf("等待成功！ret: %d,我所等待的子进程的退出码：%d \n",ret,(status>>8)&0xFF); //取出status的低16位
      }
    //  sleep(40);
    //  pid_t ret=wait(NULL);
    //  if(ret<0)
    //  {
    //    printf("等待失败！\n");
    //  }
    //  else
    //  {
    //    printf("等待成功！ result: %d\n",ret);
    //  }
    //  sleep(20);
    
  }
  return 0;
}

 

 

status的低8位：（1~8bit位）

1~7bit：（终止信号）

第8bit位：code dump 

 

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
  pid_t id=fork();
  if(id==0)
  {
    //id==0:子进程
    //int cnt=5;
    while(1)
    {
      printf("我是子进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
    //  cnt--;
    //  if(!cnt)
    //  {
    //    break;
    //  }
    }
    exit(0);
  }
  else
  { 
    //id>0:父进程
      printf("我是父进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      printf("我准备等待子进程\n");
      int status=0;
      pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
      if(ret>0)
      {
        printf("等待成功！ret: %d,我所等待的子进程的退出码：%d ,退出信号：%d\n",
                          ret,(status>>8)&0xFF,status&0x7F); //取出status的低16位,以及低16位的前7位（终止信号）
      }
    //  sleep(40);
    //  pid_t ret=wait(NULL);
    //  if(ret<0)
    //  {
    //    printf("等待失败！\n");
    //  }
    //  else
    //  {
    //    printf("等待成功！ result: %d\n",ret);
    //  }
    //  sleep(20);
    
  }
  return 0;
}

 结论：

代码运行完毕：退出码：exit（）=0

反馈结果：看退出信号

异常终止：看退出信号

一旦进程出现异常，退出码就没有意义，只看退出信号！

可以使用Linux提供的宏查看：

 

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
  pid_t id=fork();
  if(id==0)
  {
    //id==0:子进程
    int cnt=5;
    while(1)
    {
      printf("我是子进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
      cnt--;
      if(!cnt)
      {
        break;
      }
    }
    exit(0);
  }
  else
  { 
    //id>0:父进程
      printf("我是父进程，我的pid：%d, 我的父进程ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      printf("我准备等待子进程\n");
      int status=0;
      pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
      if(ret>0)
      {
        if(WIFEXITED(status))
        {
        printf("子进程是正常退出的,退出码：%d\n",WEXITSTATUS(status));
        printf("等待成功！ret: %d,我所等待的子进程的退出码：%d ,退出信号：%d\n",
                          ret,(status>>8)&0xFF,status&0x7F); //取出status的低16位,以及低16位的前7位（终止信号）
        }
      }
    //  sleep(40);
    //  pid_t ret=wait(NULL);
    //  if(ret<0)
    //  {
    //    printf("等待失败！\n");
    //  }
    //  else
    //  {
    //    printf("等待成功！ result: %d\n",ret);
    //  }
    //  sleep(20);
    
  }
  return 0;
}

 3.3 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）：

测试代码：
#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 );
 }
 }
}
测试结果：
 [root@localhost linux]# ./a.out #等20秒退出
 child exit code:10 
 [root@localhost linux]# ./a.out #在其他终端kill掉
 sig code : 9

3.4 具体代码实现

当我们调用某些函数的时候，因为条件不就绪，需要我们阻塞等待。本质:就是当前进程自己变成阻塞状态，等条件（任意的软硬件）就绪的时候，再被唤醒！

3.4.1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;
}
运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.

3.4.2进程的非阻塞等待方式：

#include  
#include 
#include 
#include 
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;
}

#include                                                                                                                                                                                       
  2 #include
  3 #include
  4 #include
  5 #include
  6 
  7 int main()
  8 {
  9   pid_t id = fork();
 10   if(id==0)
 11   {
 12     //子进程
 13     while(1)
 14     {
 15       printf("我是子进程，我的pid：%d,我的ppid：%d\n",getpid(),getppid());
 16       sleep(5);
 17       int *p=NULL;
 18       *p=100; //野指针
 19      // break;
 20     }
 21     exit(100);
 22   }
 23   else if(id>0)
 24   {
 25     //父进程
 26     printf("我是父进程，我的pid：%d,我的ppid:%d\n",getpid(),getppid());
 27     int status=0;
 28     pid_t ret=waitpid(-1,&status,0);
 29     if(ret>0)
 30     {
 31       printf("等待成功!我等待的返回值：%d,exit signal:%d,exit code:%d\n",ret,status&0x7F,(status>>8)&0xFF);
 32     }
 33     sleep(3);
 34   }
 35 }

 非阻塞：

多次调用非阻塞接口，轮询检测！

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
  pid_t id = fork();
  if(id==0)
  {
    //子进程
    while(1)
    {
      printf("我是子进程，我的pid：%d,我的ppid：%d\n",getpid(),getppid());
      sleep(5);
     // int *p=NULL;
     // *p=100; //野指针
     // break;
    }
    exit(100);
  }
  else if(id>0)
  {
    //父进程
    //基于非阻塞的轮巡检测方案
   int status=0;
   while(1)
   {
     pid_t ret=waitpid(-1,&status,WNOHANG);
     if(ret>0)
     {
       printf("等待成功，返回值为：%d,exit signal:%d,exit code:%d\n",ret,status&0x7F,(status>>8)&0xFF);
       break;
     }
     else if(ret==0)
     {
       //等待成功了，但是子进程没有退出
       printf("我是父进程，等待子进程，奥，还没，那么我父进程做其他事情...\n");
       sleep(1);
     }

   }

   // printf("我是父进程，我的pid：%d,我的ppid:%d\n",getpid(),getppid());
   // int status=0;
   // pid_t ret=waitpid(-1,&status,0);
   // if(ret>0)
   // {
   //   printf("等待成功!我等待的返回值：%d,exit signal:%d,exit code:%d\n",ret,status&0x7F,(status>>8)&0xFF);
   // }
   // sleep(3);
  }
}

 使用C++演示，父进程回调处理对应的任务：

后记：
●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                       ——By 作者：新晓·故知