【Linux】进程篇Ⅱ：进程开始、进程终止、进程等待、程序替换
文章目录
- 上接 进程篇Ⅰ：进程信息、进程状态、环境变量、进程地址空间
- 五、fork 函数，创建进程
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- 写时拷贝
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- 六、进程终止
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- 1. 退出码
- 2. 如何终止程序
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- 七、进程等待
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- 1. 概念
- 2. wait 函数
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- waitpid 函数
- 3. 阻塞等待
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- 八、程序替换
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- 1. execl
- 2. execv
- 3. execlp
- 4. execvp
- 5. execle
- 6. execvpe 、execve
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- 一个简易的 shell
上接 进程篇Ⅰ：进程信息、进程状态、环境变量、进程地址空间
链接在此
五、fork 函数，创建进程
#include
pid_t fork(void);
返回值：
- 子进程 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
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 后面的代码。
注意，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。具体见下图：
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
六、进程终止
如何理解进程退出?
OS内少了一个进程，OS就要释放进程对应的内核数据结构 + 代码和数据（如果有独立的）
进程结束情况分类：
a. 执行完了，正常退出
- 结果正确
- 结果不正确
b. 崩溃了，进程异常 （通过 信号 的方式，后面更新）
- 崩溃的本质: 进程因为某些原因，导致进程收到了来自操作系统的信号
kill -9
1. 退出码
我们说，进程是有退出码的。
比如 main 函数中的 return x; 正常执行完了
- 结果正确，退出码为 0，
- 结果不正确， 1、2、3、4 则表示不同的原因（供用户进行进程退出健康状态的判定）
echo $? 可以 查看 最近执行的进程的 退出码
echo $?
2. 如何终止程序
正常终止有三种方式：
① main 函数 return。
- 其他函数return，仅仅代表该函数返回
- 进程执行，本质是main执行流执行!
②
void exit(int status)函数退出
- 头文件
#include
- status 代表就是进程的退出码
- 等价于 main return XXX
- 会刷新缓冲区、关闭流等
- 其实 exit 函数 也是封装调用的 _exit 函数
③
void _exit(int status)函数退出
- 头文件
#include
- status 代表就是进程的退出码
- 直接退出程序，不处理缓冲区等
由此我们可以推测出的就是：
缓冲区，一定不在 OS 内，不然肯定都能刷新了，事实上并没有
这是因为用户层和 OS 之间，还有一个 C库。（后面更新）
异常退出
ctrl + C信号终止（信号！！后面更新）
七、进程等待
1. 概念
进程等待 就是 通过系统调用，获取 子进程 退出码 或者 退出信号 的方式，顺便释放内存问题。
进程等待的作用：
-
避免内存泄漏
-
获取子进程执行的结果（如果必要）
-
- 对于进程退出的结果查验，我们通过的还是上述提过的 信号 + 退出码 的方案。
等待，实际上就是 父进程 对 子进程 的等待
2. wait 函数
pid_t wait(int *status)
头文件：#include
返回值：等待成功则返回 子进程 的 PID
waitpid 函数
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
头文件#include返回值：
- > 0，success（返回的是对应子进程的 pid）
- ==-1，failed（一般不会失败，pid 传错了会导致失败）
== 0，在选项设置了 WNOHANG 的情况下，发现没有已退出的子进程可收集参数 pid：
- >0，表示等待指定的子进程
- ==-1，表示等待任一个子进程，与 wait 等效
参数 status：是一个输出型参数
- 我们会想得到，子进程的退出状态，即 信号 + 返回码
- 如何用一个整数 返回两个整数…？实际上这里的 status 是类似位图作用的。信号和返回码都不超过一定值，用一个整数位存储足够啦！（见下文）
- 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）
参数 options：
- 0，默认父进程进行 阻塞等待
- WNOHANG，父进程进行 非阻塞轮询
使用举例：
int status = 0;
pid_t ret_id = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if(ret_id < 0)
{
printf("waitpid error!\n");
exit(1);
}
else if(ret_id == 0) // 子进程还没结束
{
RunTask();
sleep(1);
continue;
}
else // 子进程结束了
{
if(WIFEXITED(status)) // 正常退出
{
printf("wait success, child exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else // 异常退出
{
printf("wait success, child exit signal: %d\n", status & 0x7F);
}
break;
}
status 记录 信号 和 退出码 的方式：
00000000 00000000 00000000 00000000
- 高 16 位不需要
- 低 16 位中，次低的 8 位（黑体比特位），储存 退出状态
- 最低 7 位（斜体比特位），储存 终止信号
- 第8位，是 core dump 标志（后面更新，信号篇）
想要自己访问 信号 和 退出码，我们用如下方式：
// 退出码
(status>>8) & 0xFF;
// 终止信号
status & 0x7F;
所以，
父进程 如何拿到 子进程 的退出码和终止信号的呢？
实际上，进程的 PCB 中，就有这两个成员值。
struct task_struct
{
// ...
int exit_code;
int exit_signal;
task_struct* parent;
};
- 当子进程执行完毕时 main 函数的退出码，写入 PCB 的 exit_code 里
- 如果出异常，OS 会把遇到异常时的信号编号写到 PCB 的 exit_signal 里
- 进程退出之后，OS 会将进程 PCB 维护起来，通过系统调用接口 waitpid / wait，就可以让用户拿到这些数据。
3. 阻塞等待
父进程在 wait 的时候，如果子进程没有退出，父进程只能一直调用 waitpid 进行等待，这就叫 阻塞等待。
- 可以理解为父进程从 R 状态，开始等待，进入 S 状态。
- 这个等待不在运行队列，可以理解为在一个只有它一个节点的等待队列里等待。
- 等待的同时，子进程的 CPB 中找到并挂接到父进程，直到子进程结束，父进程再回到运行队列（R 状态）
如果我们不想 阻塞等待，即 不想在 waitpid 处卡住呢？
- 非阻塞轮询（WNOHANG，waitpid 的最后一个参数）
- 故，我们在日常这样情况的时候，说 这个程序 夯住了。
八、程序替换
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 pid 并未改变。
exec 这一系统接口，也被叫做 加载器。
简单来说：
-
程序替换 不产生新的进程
-
程序替换 是 整体替换，不能局部替换
-
程序替换 只会影响 调用进程，因为 进程具有独立性（写时拷贝）
-
- 加载拥有新代码的新进程哦！这说明了，在代码区，也可以发生写时拷贝！！！
接下来是 exec 系列函数，
头文件是#include
1. execl
记忆：l 代表 list，把参数一个一个列表一样的传给函数。
int execl(const char *path, const char *arg, ...)
返回值：
- 成功时，发生整体替换，也不会有返回值
- 失败时，会继续调用后面的代码，此时才有返回值，返回也有意义
参数 path：
- 带路径的可执行程序
参数包：
- 在命令行怎么执行这个命令，就以空格为分割，一个一个的传给 execl 就可以了。最后以 NULL 结尾。
ps：对于该函数不用进行返回值判断，只要继续向后运行了，就一定是失败的
使用举例
execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
2. execv
记忆：v 代表 vector，数组作为参数。
int execv(const char *path, char *const argv[])
返回值：
- 成功时，发生整体替换，也不会有返回值
- 失败时，会继续调用后面的代码，此时才有返回值，返回也有意义
参数 path：
- 带路径的可执行程序
参数 argv：
- 设置一个 char* const argv[] 的指针数组， 在命令行怎么执行这个命令，就以空格为分割，放入数组。最后以 NULL 结尾。
使用举例
char *const myargv[] = { "ls", "-a", "-l", NULL };
execv("/bin/ls", myargv);
3. execlp
记忆：不带 p 的需要指定程序路径，而带 p 的只需要指定程序名即可，系统会自动在环境变量 PATH 中查找。
int execlp(const char *file, const char *arg, ...)
返回值：
- 成功时，发生整体替换，也不会有返回值
- 失败时，会继续调用后面的代码，此时才有返回值，返回也有意义
参数 file：
- 可执行程序名，该程序必须要在环境变量 PATH 中可以被调用
参数包：
- 在命令行怎么执行这个命令，就以空格为分割，一个一个的传给 execl 就可以了。最后以 NULL 结尾。
使用举例
execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
这里两个一样的参数，不要省略！！！即使有时候省略了也能跑，不要这样写！！
4. execvp
记忆： p，直接给数组名； v，以数组方式传参。
int execvp(const char *file, char *const argv[])
返回值：
- 成功时，发生整体替换，也不会有返回值
- 失败时，会继续调用后面的代码，此时才有返回值，返回也有意义
参数 file：
- 可执行程序名，该程序必须要在环境变量 PATH 中可以被调用
参数 argv：
- 设置一个 char* const argv[] 的指针数组， 在命令行怎么执行这个命令，就以空格为分割，放入数组。最后以 NULL 结尾。
使用举例
char *const myargv[] = { "ls", "-a", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);
5. execle
记忆： p，直接给数组名； v，以数组方式传参。
int execvp(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[])
返回值：
- 成功时，发生整体替换，也不会有返回值
- 失败时，会继续调用后面的代码，此时才有返回值，返回也有意义
参数 path：
- 带路径的可执行程序
参数包：
- 在命令行怎么执行这个命令，就以空格为分割，一个一个的传给 execl 就可以了。最后以 NULL 结尾。
参数 envp：
- 自定义环境变量，并且是 覆盖式传入
引申另一个函数
int putenv(char *string)
头文件：#include
作用：把 参数位置 的字符串作为 环境变量，加入 PATH
使用举例
// 【系统环境变量】
extern char** environ;
/* 自定义环境变量
char *cosnt myenv[] = {
"MYENV=ThisIsValue",
NULL
};*/
// 【把自定义变量加入系统环境变量】
putenv("MYENV=ThisIsValue"); // 此时就被添加进 environ 里了
// 要求既传 系统的 又传 自定义的
execle("./otherproc", "otherproc", NULL, environ);
环境变量具有全局性，可以被子进程继承下去。 这句话如何深刻理解？
- bash 是最父的父进程！
- 他调用子进程的时候，只需要通过 exec 函数，
- 传入相应的环境列表，子进程就共享了 bash 的环境变量！！！
实际上，也正是 OS 调用 exec，调用的我们写的 main 函数，main 函数的参数 envp 也就是 OS 传给我们的。
6. execvpe 、execve
不多说喽
int execvpe (const char* file, char *const argv[], char *const envp[])
int execve (const char* path, char *const argv[], char *const envp[])
这些 exec 函数，实际上，只有 execve 是系统调用，其余的 6 个都是这个调用的封装
一个简易的 shell
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