[Linux]进程控制精讲,简单实现一个shell

目录

前言

进程创建

fork函数初识

写时拷贝

fork常见用法

fork调用失败的原因

进程终止

进程退出场景

进程退出码

查看进程退出码

退出码的含义

进程常见退出方法

exit VS _exit

exit函数

_exit函数

二者的区别

return退出

进程等待

进程等待必要性

进程等待的方法

wait方法

waitpid方法

获取子进程status

进程的非阻塞等待

进程程序替换

替换原理

替换函数

execl

execlp

execle

execv

execvp

execve

函数解释

命名理解（建议先看）

做一个自己的shell

---

前言

        本片博客主要介绍Linux进程控制相关的内容，主要从进程创建、进程终止、进程等待、进程程序替换这四个方面介绍，在我们学习了上述相关的进程控制操作后，我们最后会尝试运用上述内容实现一个我们自己的shell，感觉对自己有帮助的话记得给个三连哦。

进程创建

该部分主要介绍fork函数相关的内容

fork函数初识

        在Linux中fork函数是非常重要的函数，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。

pid_t fork(void);

返回值介绍：

• 子进程中返回0，父进程返回子进程pid，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

 

fork之后，父子进程的代码共享，从fork后的位置开始一起运行。

#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    printf("Before: pid:%d\n",getpid());

    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);    //检测是否创建成功
    printf("Now:pid:%d , id:%d\n",getpid(),id);
    return 0;
}

打印结果显示，子进程只执行了fork之后的语句。

注意点：

• 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。

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。

为什么要采用写时拷贝的方案？

• ​首先进程间具有独立性，两个进程之间不能够相互影响，因而进程的代码和数据理应是独立的，但如果我们每创建一个子进程就另起炉灶,会造成内存空间的大量使用，且效率不高。
• 因而当我们刚开始创建子进程时，我们不急于直接拷贝，当子进程或者父进程需要对共享的数据进行修改时，子进程再进行拷贝，这种在需要进行数据修改时再进行拷贝的技术，称为写时拷贝。
• ​代码段的数据大部分情况下不会进行写实拷贝，但在进程替换时会。

fork常见用法

简单用法模板：

pid_t id = fork();    //通过对id的判断让父子进程做不同的事情
if(id<0)             //出错返回-1
{
    //打印错误信息或者终止当前进程
}
else if(id == 0)  //子进程fork返回值为0
{
    //子进程做什么
}
else      //父进程fork返回值是子进程id > 0
{
	//父进程干啥    
}

fork常用场景：

1. 创建子进程后，在子进程内通过进程程序替换执行另一个程序。

2. 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。

fork调用失败的原因

fork函数创建子进程也可能会失败，有以下两种情况：

1. 系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。

2. 实际用户的进程数超过了限制，子进程创建失败。

进程终止

该部分主要介绍退出码，exit和_exit

进程退出场景

进程退出时，无非以下三种场景：

1. 代码运行完毕，结果正确

2. 代码运行完毕，结果不正确

3. 代码异常终止

进程退出码

查看进程退出码

当程序正常终止时，我们可以通过 echo $? 查看进程退出码。

如运行以下程序后：

#include 
int main()
{
	return 0;
}

显示出的就是return的值。

我们平时使用的指令也有退出码

很明显，我们平时使用的指令也是一个个写好了的c程序。

退出码的含义

通常，我们以0表示正常退出，非0表示异常退出。

        C语言当中，我们可以调用strerror函数，其可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息。

#include 
#include 
int main()
{
    for(int i = 1;i<128;++i)
    {
        printf("%d: %s\n",i,strerror(i));
    }
    return 0;
}

        退出码的含义是人为规定的，C语言的错误信息只是一种参考，不同环境下相同的退出码的对应含义可能不同。

进程常见退出方法

正常终止：

1. 从main返回

2. 调用exit

3. _exit

异常终止：

• ctrl+c ，通过信号来终止

exit VS _exit

exit函数

 

使用exit函数时，我们需要带stdlib.h的头文件,很明显,这是库中的函数。

_exit函数

而_exit函数是一个系统调用，显然，exit函数是对 _exit系统调用进行了封装。

二者的区别

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

 演示：

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    printf("hello test "); //没加\n ，不让缓冲区刷新
    
    //exit(1);
    _exit(1);
}

exit时

结果在程序结束后打印出来了。

_exit时

程序运行结束后也没打印。

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。

进程等待

该部分主要介绍wait和waitpid

进程等待必要性

• 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，就难以杀掉，即使发送9号信号也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。

• 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

进程等待的方法

wait方法

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。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //创建子进程失败
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子进程
    {   
        printf("子进程运行,我的pid:%d\n",getpid());
        exit(0);
    }
    //父进程等待子进程
    sleep(5);
    int status;
    wait(&status);
    sleep(5);
    return 0;
}

        我们创建了一个子进程，打印完后子进程退出，父进程5秒后才等待子进程，此时子进程应该处于僵尸状态，5秒后回收子进程，子进程消失，父进程再运行5秒后退出。

通过以下监控脚本观察情况是否如我们预料的一样：

//监控脚本
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess | grep -v grep ; sleep 1 ; done;

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；

参数讲解：

• 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(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):

  • 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。

注意点：

1. status中 WIFEXITED和WEXITSTATUS是定义好的宏函数。

2. options用于区分我们是进行阻塞等待还是非阻塞等待，阻塞等待直接填0即可，非阻塞等待就填WNOHANG。（后面会用代码进行演示非阻塞等待）

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。

• 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（只用了低16比特位）：

 通过位运算取出退出状态和终止信号：

ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出状态
Signal = (status & 0x7F);   //信号

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //创建子进程失败
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子进程
    {   
        while(1)
        {
           printf("子进程pid: %d\n",getpid());
           sleep(1);
        }
    }
    //父进程等待子进程
    int status;
    waitpid(id,&status,0);
    int ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出状态
    int Signal = (status & 0x7F);   //信号
    printf("子进程退出状况：ExitCode:%d , Signal：%d\n",ExitCode,Signal);
    sleep(5);
    return 0;
}

进程的非阻塞等待

什么是非阻塞等待？

        首先，父进程阻塞等待子进程时，父进程什么都干不了，只能等子进程结束后才能干其他事情。而非阻塞等待，就是我们通过轮询的方式，执行等待函数时，如果子进程还没有结束，父进程就先继续执行自己的事情，等下次再来等待。

如何实现非阻塞等待？

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

第三个参数ｏｐｔｉｏｎｓ设置为WNOHANG即可．

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //创建子进程失败
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子进程
    {   
        int count = 5;
        while(count--)
        {       
           sleep(1);
        }
        exit(1);
    }
    //父进程等待子进程
    int status;
    pid_t ret = 0;
    do
    {
        ret = waitpid(id,&status,WNOHANG);
        //父进程做自己的事情
        printf("子进程正在运行中\n");
        sleep(1);
    } while (ret == 0);
    // int ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出状态
    // int Signal = (status & 0x7F);   //信号
    //使用一下宏函数
    if(WIFEXITED(status))
    {
        printf("子进程退出码为%d\n",WEXITSTATUS(status));
    }
    else
    {
        printf("等待失败\n");
    }
    sleep(5);
    return 0;
}

可以看到，在等待的同时，父进程也能打印，干自己的事情。

两种等待方式并没有优劣之分，看情况使用即可。

进程程序替换

该部分主要讲解替换的原理和六个exec函数

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（还是用原来的PCB、页表等）。

 

替换函数

execl

int execl(const char *path, const char *arg, ...)；

参数：

• path表示要执行的程序所在的路径

• 可变参数列表，最后以NULL进行结尾

返回值：

• 失败返回-1，并设置相应的错误码

使用：以ls命令为例

execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l".NULL);

execlp

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

参数：

• file表示要运行的程序名，系统会自动在环境变量PATH对应的路径下寻找

• 可变参数列表，最后以NULL进行结尾

返回值：

• 失败返回-1，并设置相应的错误码

使用：以ls命令为例

execlp("ls","ls","-a","-l".NULL);

execle

int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);

参数：

• path表示要执行的程序所在的路径

• 可变参数列表，最后以NULL进行结尾

• envp数组中，每个位置都指向一个自己设定的环境变量

与execl的使用相比，进程程序替换后使用的环境变量需要我们自己来进行设置

//myprocess
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //创建子进程失败
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子进程
    {   
        char* env[]= { "MYVALUE=1234"};

        execle("./test",NULL,env);
        exit(1);
    }
    //父进程等待子进程
    int status;
    waitpid(id,&status,0);  
    int ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出状态
    int Signal = (status & 0x7F);   //信号
    printf("ExitCode:%d , Signal:%d\n",ExitCode,Signal);
    sleep(5);
    return 0;
}

//test
#include 
#include 
int main()
{
    char*s = getenv("PATH");
    char*p = getenv("MYVALUE");
    printf("S:%s\n",s);
    printf("P:%s\n",p);

    return 0;
}

可以看到，我们通过进程程序替换函数execle执行的程序只认识我们自己设置的环境变量。

execv

int execv(const char *path, char *const argv[])；

与execl的区别就在于将后面的可变参数列表换成了指针数组。

以ls指令为例：

char*const argv[] = {"ls","-a","-l",NULL};
execv("/usr/bin/ls",argv);

execvp

int execvp(const char *file, char *const argv[])；

        与execvl的区别就在于将路径改为程序名，就不多赘述了。

execve

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

        参考上面execle的用法即可

 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：

函数解释

• 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。

命名理解（建议先看）

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。

• 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

做一个自己的shell

        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）

根据这些思路，和我们前面的学的技术，就可以自己来实现一个shell了。

实现如下：

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

#define SIZE 1024
char CommandLine[SIZE];  //存放输入的指令

#define OPT_NUM 64
char* Myargv[OPT_NUM];  //存放分割后的程序指令

//保存上次运行时的退出码和退出信号
int lastCode;
int lastSignal;

int main( )
{
  while(true)
  {
    //1.打印提示符
    printf("[用户名@主机名 当前路径]#");
    fflush(stdout);        //刷新缓冲区

    //获取用户输入
    char* s = fgets(CommandLine,sizeof(CommandLine)-1,stdin);
    assert(s != NULL);  //检查释放获取成功
    (void)s;      
    CommandLine[strlen(CommandLine)-1] = 0;  //消除掉输入时带的换行符
    //字符串分割，拿出指令

    Myargv[0] = strtok(CommandLine," ");
    int i = 1;
    //给ls命令增加配色方案
    if(Myargv[0]!=NULL && strcmp(Myargv[0],"ls")==0)
    {
      Myargv[i++] = (char*)"--color=auto";
    }
    while( Myargv[i++] = strtok(NULL," "));  //无法分割时返回空指针。 命令行参数最后刚好需要以NULL结尾

    //内建命令，内置命令不需要创建子进程来执行
    //cd 命令需要改变当前进程的工作目录
    if(Myargv[0]!=NULL && strcmp(Myargv[0],"cd")==0)
    {
        if(Myargv[1]!=NULL)
        chdir(Myargv[1]);
        continue;
    }

    //echo命令获取上次程序的退出码
    if(Myargv[0]!=NULL && Myargv[1]!=NULL && strcmp(Myargv[0],"echo")==0)
    {
        if(strcmp(Myargv[1],"$?")==0)
        {
          printf("lastcode:%d , lastSignal:%d\n",lastCode,lastSignal);
        }
        else
        {
          printf("%s\n",Myargv[1]);
        }
        continue;
    }

//条件编译来测试  编译时带上 -DDEBUG即可运行测试
#ifdef DEBUG
for(int i=0; Myargv[i] ;++i)
printf("%s\n",Myargv[i]);
#endif

 //创建子进程执行相关指令
pid_t id = fork();
assert(id != -1); //检测子进程是否创建失败

if(id == 0) //子进程进程切换 执行对应的指令
{
  execvp(Myargv[0],Myargv);

  exit(1); //异常时才从这退出
}
int status;  //拿到子程序的退出码
waitpid(id,&status,0);

lastCode = ((status>>8) & 0xFF);
lastSignal = (status & 0x7F);
    
 }
  return 0;
}

演示：

注意点：

• 内建/内置命令不需要创建子进程来执行，如cd命令等。