Linux进程控制

目录

进程创建

fork函数初始

fork函数返回值

写时拷贝

fork函数常规用法

fork函数调用失败的原因 

进程终止

进程退出场景

进程退出码

进程正常退出

return 退出

exit 函数退出

_exit 函数退出

return,exut和_exit之间的区别与联系 

进程异常退出 

进程等待

进程等待的必要性

获取子进程的status

进程等待的方法

wait方法

waitpid方法 

多进程创建以及等待的代码模型

基于非阻塞接口的轮询检测方案 

进程替换

替换原理

替换函数

函数解释

命名理解 

做一个简易的shell

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进程创建

fork函数初始

在Linux中,fork函数是非常重要的函数,它从已存在的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.

返回值:在子进程中返回值为0,在父进程中返回值为子进程的PID,子进程创建失败返回-1.

进程调用fork,当控制转移到内核中的fork代码,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拷贝到子进程.
• 添加子进程到系统进程列表.
• fork返回,开始调度器调度. 

fork之后,父子进程共享代码.列如:

运行结果如下:

这里可以看到,Before只输出了一次,而After却输出两次.其中,Before是由进程打印的,而调用fork函数之后打印的两个After,则分别是由父进程和子进程两个进程执行.也就是说,fork之前父进程独立执行,而fork之后父子两个执行流分别执行.

注意:fork之后,父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定. 

fork函数返回值

fork函数为什么要给子进程返回0,而给父进程返回子进程的pid?

一个父进程可以创建多个子进程,而一个子进程只能有一个父进程,因此,对于子进程来说,父进程是不需要被标识的;而对于父进程来说,子进程是需要被标识的,因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务,父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该孩子进程指派任务.

fork函数为什么有两个返回值?

父进程调用fork函数之后,为了创建子进程,fork函数内部才会进行一系列操作,包括创建子进程的进程控制块,创建子进程的进程地址空间,创建子进程对于的页表等等.子进程创建完毕后,操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表中,此时进程便创建完毕.

也就是说,在fork函数内部执行return语句之前,子进程就创建完毕了,那么之后的return语句不仅父进程需要执行,子进程同样需要执行,这就是fork函数有两个返回值的原因. 

写时拷贝

当子进程被创建时,子进程和父进程的数据和代码时共享的,即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间,只有当父进程或子进程需要修改数据的时候,才将父进程的数据在内存当中拷贝一份,然后进行修改.

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.

1.为什么数据要进行写时拷贝?

进程具有独立性.多进程运行时,需要独享各种资源,多进程运行期间互不干扰,不能让子进程的修改影响父进程.

为什么不在创建进程的时候就进行数据拷贝?

子进程不一定会使用父进程的所有数据,并且在子进程不对数据进行写入的情况下,没有必要对数据进行拷贝,我们应按需分配,在需要修改数据的时候再分配,这样可以高效的使用内存空间. 

代码会不会进行写时拷贝?

90%的情况下是不会的,但这并不代表代码不能进行写时拷贝,列入再进行进程替换的时候,则需要进行代码的写时拷贝. 

fork函数常规用法

1. 一个进程希望父子自己,使子进程同时执行不同的代码段.列如父进程等待客户端请求,生成子进程来处理请求.
2. 一个进程要执行不同的程序,列如子进程从fork返回后,调用exec函数. 

fork函数调用失败的原因 

fork函数创建子进程也有可能会失败,有一下两种情况:

1. 系统中有太多进程,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

进程退出场景

进程退出只有三种情况:

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(进程崩溃) 

进程退出码

我们都知道main函数是代码的入口,但实际上main函数只是用户级别代码入口,main函数也是被其他函数调用的,列如再vs2013当中main函数就是被一个名为_tmainCRTStartup的函数调用的,而 _tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统调用的,也就是说main函数是间接性的被操作系统调用的.

既然main函数是间接的别操作系统调用的,那么当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息,而这个信息就是所谓的退出码,一般以0代表成功执行完毕,以非0表示代码执行过程中出现错误,这就是为什么我们都在main函数的最后返回0原因.

当我们的代码运行起来就变成了进程,当进程结束后main函数的返回值实际上就是该进程的退出码,我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出码信息.

列如,对于下面这个简单的代码:

代码运行结束后,我们可以查看该进程的退出码.

这时可以确定main函数是顺利执行完毕了.

为什么0表示代码执行成功,以非0表示代码错误?

因为代码执行成功只有一种情况,成功了就是成功了,而代码执行错误却有多种原因,列如内存空间不足,非法访问以及栈的溢出等等,我们就可以用这些非0的数字分别表示代码错误的原因.

c语言中的strerror函数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:

代码运行后我们就可以看到各个错误码所对应的信息:

实际上Linux中的ls,pwd等命令多是可执行程序,使用这些命令我们也可以查看其对应的退出码.

可以看到,这些命令成功执行后,其退出码也是0.

但是命令执行错误后,其退出码就是非0的数字,该数字具体代表某一段错误信息.

注意:退出码都有对应的字符串含义,帮助用户确认执行失败的原因,而这些退出码代表的具体含义是什么是由人为规定的,不同环境下的退出码的字符串含义可能不同. 

进程正常退出

return 退出

在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法.

列如,在main函数最后使用return退出进程.

运行结果:

 

exit 函数退出

使用exit函数退出进程也是我们常用的方法,exit函数可以在代码中的任何地方退出进程,并且exit函数在退出进程前会做一系列的工作:

1. 执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数.
2. 关闭所有打开流,所有的缓存数据都被写入.
3. 调用_exit函数终止进程. 

列如,一下代码中exit终止进程前会将缓存区当中的数据输出.

 运行结果:

_exit 函数退出

使用_exit函数退出进程的方法我们并不经常使用,_exit函数也可以在代码中的任何地方退出进程,但是_exit函数会直接终止进程,并不会在退出进程前做任何收尾的工作.

列如,一下代码中使用_exit终止进程,则缓冲区当中的数据不会被输出:

运行结果如下:

return,exut和_exit之间的区别与联系 

return,exit和_exit之间的区别:

只有在main函数当中才起退出作用,子函数当中return不能退出进程,而exit函数和_exit函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出作用.

使用exit函数退出进程前,exit函数会执行用户定义的清理函数,冲刷缓存,关闭流等操作.然后再终止进程,而_exit函数会直接终止进程,不会做任何收尾的工作.

return,exit,_exit之间的联系

执行return num等同于执行exit(num),因为调用main函数运行结束后,会将main函数的返回值当作exit的参数来调用exit函数.

使用exit函数退出进程前,exit函数会先执行用户定义的清理函数,冲刷缓存.关闭流等操作,然后再调用_exit函数终止进程. 

进程异常退出 

情况一:向进程发送信号导致进程异常退出.

列如,在进程运行过程中向进程发送kill -9信号使得进程异常退出,或是使用CTRL+c是的进程异常退出.

情况二:代码错误导致进程运行时异常退出.

列如,代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出,或是出现除0的情况使得进程异常退出等. 

进程等待

进程等待的必要性

1. 子进程退出,父进程如果不读取子进程的退出信息,子进程就会变成僵尸进程,进而造成内存泄漏.
2. 进程一旦变为僵尸进程,那么就算是kill -9命令也无法将其杀死,因为谁也无法杀死一个已经死去的进程.
3. 对于一个进程来说,最关心自己的就是其父进程,因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成得如何.
4. 父进程需要通过进程等待得方式,回收子进程得资源,获取子进程的退出信息. 

获取子进程的status

下面进程等待使用的两个函数wait和waitpid,都有一个status参数,该参数是一个输出行参数,由操作系统进行填充.

如果对status参数传入NULL,表示不关心子进程的退出信息.否则,操作系统会通过该参数,将子进程的退出信息反馈给父进程.

status是一个整形变量,当status不能简单的当做一个整形变量来看待,status的不同比特位所代表的信息不同,具体细节如下,(只研究status低16比特位):

在status的低16比特位当中,高8比特位表示进程的退出状态,即退出码.进程若是被信号杀死,则低7位标识终止信号,而第8比特位是core dump标志.

我们通过一系列位操作,就可以根据status得到进程得退出码和退出信号.

exitcode = (status>>8)&xff;//退出码
exitsignal = status&0x7f;//退出信号

对于此,当系统中提供了两个宏来获取退出码和退出信号.

1. WIEXITE(status):用于查看进程是否正常退出,本质是检查是否收到信号.
2. WEXITSATUS(status):用于获取退出码. 

exitNormal = WIFEXITED(status);//是否正常退出
exitCode = WEXISTATUS(status);//获取退出码

 需要注意得是,一个进程非正常退出时,说明该进程是被信号杀死的,那么该进程的退出码也就没有意义了.

进程等待的方法

wait方法

函数原型:pid_t wait(int* status);

作用:等待任意子进程

返回值:等待成功返回被等待的进程的pid,等待失败返回-1.

参数:输出行参数,获取子进程的退出状态,不关心可以设置位NULL. 

列如,创建子进程后,父进程可以使用wait函数一直等待子进程,直到子进程退出后读取子进程的退出信息.

 我们可以使用脚本监控来对进程进行实时监控:

waitpid方法 

函数原型:pid_t waitpid(pid_t pid,int* status,int options);

作用:等待指定进程或任意子进程.

返回值:

1. 等待成功返回被等待进程的pid.
2. 如果设置了WNOHANG,而调用中waitpid发现没有一退出的子进程可搜集,则返回0.
3. 如果调用过程中出错,则返回-1,这时erron会被设置成相应的值以指示错误所在.

参数:

1. pid:等待进行的pid,若设置为-1,则等待任意子进程.
2. status:输出新参数,获取子进程的退出码,不关心时可以设置为NULL.
3. options:当设置为WNOHANG时,若等待的子进程没有结束,则waitpid换上直接返回0,不予等待.若正常结束,则返回该子进程的pid. 

列如,创建子进程,父进程可以使用waitpid函数一直等待子进程(此时将waitpid的第三个参数设置为0),直到子进程退出后读取子进程的退出信息.

在父进程等待运行的过程中,我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死,这时父进程也能等待成功.

 注意:被信号杀死而退出的进程,其退出码将没有意义.

多进程创建以及等待的代码模型

上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子,实际上我们还可以使用同时创建多个子进程,然后让父进程依次等待子进程的退出,这叫做多进程的创建以及等待的代码某型.

列如,一下代码中同时创建了10个子进程,同时将子进程的pid放到ids数组当中,并将这10个子进程退出码设置为该孩子进程pid在数组ids中的下标,之后父进程在使用waitpid函数等待这10个子进程. 

运行代码,这时我们找到便可以看到父进程同时创建多个子进程,当子进程退出后,父进程依次在读取这些子进程的退出信息.

基于非阻塞接口的轮询检测方案 

上述所给出列子当中,当子进程未退出时,父进程都在一直等待子进程退出,在等待期间,父进程不能做任何事,这种叫做阻塞等待 .

实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程的退出,而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事,当子进程退出时在读取子进程的退出信息,即非阻塞等待.

做法横简单,向waitpid函数的第三个参数options传入WNOHANG,这样一来,等待的子进程没有结束,那么waitpid函数将直接返回0,不予以等待.而等待的子进程若是正常结束,则返回该孩子的pid.

列如,父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数,若是等待的子进程尚未退出,则父进程先去做一些其他事,过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息.

运行结果就是,父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出,若未退出,则父进程先去忙自己的事,过一段时间再来查看,直到子进程退出后读取子进程的退出信息.

进程替换

替换原理

用fork创建子进程后,子进程执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行的是不同的代码分支),若想让子进程执行另一个程序,往往需要调用一种exec函数.

当进程调用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,并从新程序的启动历程开始执行.

当进行程序替换时,有没有创建新的进程呢?

进程程序替换之后,该进程对应的pcb,进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生变化,只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变,所以并没有创建新的进程,而且进程替换之后该进程的pid并没有发生变化.

子进程进行程序替换之后,会影响父进程的代码和数据吗?

子进程刚被创建时,与父进程共享代码和数据,但当子进程需要程序替换时,也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作,这时便需要将父子进程共享代码和数据进行写实拷贝,此后父子进程的代码和数据也就分离了,因此子进程进行进程替换后不会影响父进程的代码和数据.

替换函数

替换函数有6种以exec开头的函数,他们统称为exec函数:

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

 第一个参数是要执行的程序路径,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行着个程序,并以null结尾.

列如,要执行的是ls程序.

execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-i","-l",null);

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

 第一个参数是要执行程序的名字,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以null结尾.

列如,要执行的是ls程序.

execlp("ls","ls","-a","-i","-l",null);

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

第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以null结尾,第三个参数是你自己设置的环境变量.

列如,你设置了MYVAL环境变量,在mycmd程序内部就可以使用该环境变量.

char* myenv[] = {"MYVAL=2023",null};
execle("./mycmd","mycmd:,mull,myenv);

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

第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以null结尾.

列如,要执行ls程序:

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

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

第一个参数是要执行程序的名字,第二个参数是一个数组指针,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以null结尾.

列如,要执行的程序是ls.

char* myargv[] = {"ls","-a","-i","-l",null};
execvp("ls",myargv);

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

 第一个参数是你要执行程序的路径,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以null结尾,第三个参数是你自己设置的环境变量.

列如,你设置了MYVAL环境变量,在mycmd程序内部就可以使用该环境变量.

char* myargv[] = {"mycmd",null};
char* myenvp[] = {"MYVAL=2023",null};
execvp("./mybin",myargv,myenvp);

函数解释

1. 这些函数如果调用成功,则加载指定的程序并从启动代码开始执行,不再返回.
2. 如果调用出错,则返回-1. 

也就是说,exec系列函数只要返回了,也就意味着调用失败. 

命名理解 

 这六个exec系列函数的函数名都是以exec开头,其后缀含义如下:

• l(list):表示参数采用列表的形式,--列出.
• v(vector):表示参数采用数组的形式.
• p(path):表示能自动搜索环境变量PATH,进行程序查找.
• e(env):表示可以自己传入环境变量.

 实际上,只有有execve才是真正的系统调用,其他五个函数最终调用的是execve,所以execve在man手册的第二节,二其他五个函数在man手册的第三节,也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装,以满足不同用户的不同调用场景的.

下图为exec系列函数族之间的关系:

做一个简易的shell

shell也就是命令解析器,器运行原理就是:当有命令需要执行时,shell创建子进程,让子进程执行命令,而shell只需要等待子进程退出即可.

 其实shell需要执行的逻辑非常简单,其只需要循环一下步骤:

• 获取命令行
• 解析命令行
• 创建子进程
• 替换子进程
• 等待子进程退出

其中,创建子进程使用fork函数,替换子进程使用exec系列函数,等待子进程使用wait或者waitpid函数.

于是我们容易实现一个简易的shell,代码如下: 

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

#define NUM 1024
#define SIZE 64
#define SEP " "
//#define Debug 1

char cwd[1024];
char enval[1024]; // for test
int lastcode = 0;

const char *getUsername()
{
    const char *name = getenv("USER");
    if(name) return name;
    else return "none";
}
const char *getHostname()
{
    const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
    if(hostname) return hostname;
    else return "none";
}
const char *getCwd()
{
    const char *cwd = getenv("PWD");
    if(cwd) return cwd;
    else return "none";
}
int getUserCommand(char *command, int num)
{
    printf("[%s@%s %s]# ", getUsername(), getHostname(), getCwd());
    char *r = fgets(command, num, stdin); // 最终你还是会输入\n
    if(r == NULL) return -1;
    // "abcd\n" "\n"
    command[strlen(command) - 1] = '\0'; // 有没有可能越界？不会
    return strlen(command);
}

void commandSplit(char *in, char *out[])
{
    int argc = 0;
    out[argc++] = strtok(in, SEP);
    while( out[argc++] = strtok(NULL, SEP));

#ifdef Debug
    for(int i = 0; out[i]; i++)
    {
        printf("%d:%s\n", i, out[i]);
    }
#endif
}

int execute(char *argv[])
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) return -1;
    else if(id == 0) //child
    {
        // exec command
        execvp(argv[0], argv); // cd ..
        exit(1);
    }
    else // father
    {
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if(rid > 0){
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
        }
    }

    return 0;
}

void cd(const char *path)
{
    chdir(path);
    char tmp[1024];
    getcwd(tmp, sizeof(tmp));
    sprintf(cwd, "PWD=%s", tmp); // bug
    putenv(cwd);
}

// 什么叫做内键命令: 内建命令就是bash自己执行的，类似于自己内部的一个函数！
// 1->yes, 0->no
int doBuildin(char *argv[])
{
    if(strcmp(argv[0], "cd") == 0)
    {
        char *path = NULL;
        if(argv[1] == NULL) path = ".";
        else path = argv[1];
        cd(path);
        return 1;
    }
    else if(strcmp(argv[0], "export") == 0)
    {
        if(argv[1] == NULL) return 1;
        strcpy(enval, argv[1]);
        putenv(enval); // ???
        return 1;
    }
    else if(strcmp(argv[0], "echo") == 0)
    {
        char *val = argv[1]+1; // $PATH $?
        if(strcmp(val, "?") == 0)
        {
            printf("%d\n", lastcode);
            lastcode = 0;
        }
        else{
            printf("%s\n", getenv(val));
        }
        return 1;
    }
    else if(0){}

    return 0;
}

int main()
{
    while(1){
        char usercommand[NUM];
        char *argv[SIZE];
        // 1. 打印提示符&&获取用户命令字符串获取成功
        int n = getUserCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
        if(n <= 0) continue;
        // 2. 分割字符串
        // "ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"
        commandSplit(usercommand, argv);
        // 3. check build-in command
        n = doBuildin(argv);
        if(n) continue;
        // 4. 执行对应的命令
        execute(argv);
    }
}