【Linux】进程控制

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一、进程创建

1.fork函数初识

linux中，fork()函数非常重要，它从当前进程中创建一个新的进程。新进程为子进程，原始进程为父进程。

#include 
pit_t fork(void);
返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

2.fork函数的两个返回值

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程，自然也会被return两次。
具体的参考大佬的博客：进程控制

fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。但谁先执行完全由调度器决定。

3.写时拷贝

通常，父子代码共享。
1）修改内容之前，父子进程的数据段+代码段默认共享；
2）修改内容之后，谁写入，谁发生写时拷贝，即写入的数据开辟新的空间。

4.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。前面使用的 fork都属于这种情况。
• 一个进程要创建子进程来执行一个不同的程序；例如子进程从 fork 返回后，调用 exec 系列函数。即下面进程替换内容。

二、进程终止

1.进程退出场景

退出码0代表进程运行结果正确
退出码非0代表运行结果错误

• 代码运行完毕且结果正确 – 退出码为0；
• 代码运行完毕且结果不正确 – 退出码为非0；
• 代码异常终止 – 退出码无意义。

2.进程退出方法

正常终止：

可以通过echo $?查看最近一个进程的退出码
1.从main返回
2.调用exit
3.调用_exit

exit函数：

#include 
    
void exit(int status);

status：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
    
函数功能：终止进程

_exit函数：

#include 
    
void _exit(int status);

status：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
    
函数功能：终止进程

区别：

• exit()是库函数，_exit()是系统调用， 库函数是对系统调用封装的一些接口。即exit 的底层是 _exit 函数，exit 是 _exit 的封装。
• exit 在终止程序后会刷新缓冲区，而 _exit 终止程序后不会刷新缓冲区。
• exit 的底层是 _exit，而 _exit 并不会刷新缓冲区，即缓冲区不在操作系统内部，而是在用户空间。

异常退出：

Ctrl C 终止进程

三、进程等待

1.进程等待的必要性

解决僵尸进程问题。父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程信息。
进程的退出信息是存放在子进程的 task_struct 中的，所以进程等待的本质就是从子进程 task_struct 中读取退出信息，然后保存到相应变量中去。

2.进程等待的方法

wait方法：

#include 
#include 

pid_t wait(int *status);

返回值：成功返回被等待进程的pid，失败返回-1;

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；

wait的使用：

开始时父子进程都处于休眠状态，之后子进程运行5s退出，此时由于父进程还要休眠5s，所以没有对子进程进行进程等待，所以子进程变成僵尸状态Z。5s过后，父进程使用 wait 系统调用对子进程进行进程等待，所以子进程由僵尸状态变为彻底死亡状态。

waitpid方法：

#include 
#include 

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

返回值：成功返回被等待进程的pid，失败返回-1;

pid：pid=-1，等待任意一个子进程，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；
options：等待方式，options=0，阻塞等待；options=WNOHANG，非阻塞等待

waitpid的使用：

waitpid 可以传递 id 来指定等待特定的子进程，也可以指定 options 来指明等待方式。

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)：
  
  status 低两个字节的内容被分成了两部分 – 第一个字节前七位表示退出信号/终止信号，最后一位表示 core dump 标志；第二个字节表示退出状态，退出状态即代表进程退出时的退出码；
  对正常退出的程序来说，退出信号和 core dump 标志都为0，退出状态等于退出码；对于异常终止的程序来说，退出信号为不同终止原因对应的数字，退出状态未用，无意义。
  因此 status读取为：

printf("exit signal:%d,  exit code:%d \n", (status & 0x7f), (status >> 8 & 0xff)); 

其中，status 按位与上 0x7f 表示保留低七位，其余九位全部置为0，从而得到退出信号；
status 右移8位得到退出状态，再按位与上 0xff 是为了防止右移时高位补1的情况；

Linux 提供了 WIFEXITED 和 WEXITSTATUS 宏 来帮助我们获取 status 中的退出状态和退出信号

该部分参考自：添加链接描述

3.阻塞与非阻塞等待

阻塞式等待即当父进程执行到 waitpid 函数时，如果子进程还没有退出，父进程就只能阻塞在 waitpid 函数，直到子进程退出，父进程通过 waitpid 读取退出信息后才能接着执行后面的语句；

而非阻塞式等待则不同，当父进程执行到 waitpid 函数时，如果子进程未退出，父进程会直接读取子进程的状态并返回，然后接着执行后面的语句，不会等待子进程退出。

轮询
轮询是指父进程在非阻塞式状态的前提下，以循环方式不断的对子进程进行进程等待，直到子进程退出。

原文链接：https://blog.csdn.net/m0_62391199/article/details/128033352

4.总结

• 为了读取子进程的退出结果以及回收子进程资源，需要进行进程等待。
• 进程等待的本质是父进程从子进程 task_struct中读取退出信息，然后保存到 status 中。
• 可以通过 wait 和 waitpid 系统调用进行进程等待。 status参数是一个输出型参数，父进程通过 wait/waitpid 函数将子进程的退出信息写入到 status 中。
• status 以位图方式存储，包括退出状态和退出信号，若退出信号不为0，则退出状态无效。
• 可以使用系统提供的宏 WIFEXITED 和WEXITSTATUS 来分别获取 status 中的退出状态和退出信号。
• 进程等待的方式分为阻塞式等待与非阻塞式等待，阻塞式等待用0来标识，非阻塞式等待用宏 WNOHANG 来标识。
• 由于非阻塞式等待不会等待子进程退出，所以我们需要以轮询的方式来不断获取子进程的退出信息。

四、进程程序替换

1.替换原理

进程程序替换是指父进程用 fork 创建子进程后，子进程通过调用 exec 系列函数来执行另一个程序；当进程调用某一种 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，然后从新程序的启动例程开始执行；

但是原进程的 task_struct 和 mm_struct 以及进程 id 都不会改变，页表可能会变；所以调用 exec 并不会创建新进程，而是让原进程去执行另外一个程序的代码和数据。

程序替换是在当前进程pcb并不退出的情况下，替换当前进程正在运行的程序为新的程序，即
1、程序替换成功后，运行完新程序，依然会运行原有的代码
2、程序替换成功后，原进程没有退出，使用原进程运行新程序

2.进程替换操作

exec 系列函数

实现进程程序替换的系统调用函数就一个：execve，其他一系列的 exec 库函数都是为了满足不同的替换场景而对 execve 系统调用进行的封装；主要认识六个 exec 库函数。

#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 execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);

这些函数调用成功则加载新的程序并启动代码开始执行，不再返回；如果调用出错则返回-1。

这些 函数一旦调用成功，就代表着原程序的代码和数据已经被新程序替换掉了，原程序后续的语句都不会再被执行了，所以 exec 调用成功后没有返回值，因为该返回值没有机会被使用；只有 exec 调用失败，原程序可以继续往下执行时，exec 返回值才会被使用。

exec 系列函数的使用

执行程序就两个步骤 ：
一是找到该可执行程序；二是指定程序执行的方式。
对于 exec 函数来说，“p” 和非 “P” 用来找到程序，“l” “v” 用来指定程序执行方式；“e” 用来指定环境变量。

（1）execl && execlp
以ls指令为例

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);  
execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);  //函数带有 “p”，可以不带路径参数

可以看到，exec无非就两个参数：
第一个参数是路径参数。注意带 “p” 的 exec 函数可以不带路径的前提是被替换程序处于PATH环境变量中。
第二个参数是如何执行程序。即Linux 命令行中该程序如何执行就如何传参，要注意的是，exec 中需要对不同选项进行分割，即每一个选项都单独分为一个字符串，并且最后一个可变参数设置为 NULL，表示传参完毕。

进程程序替换时如果想要让不同类型文件表现为不同颜色的话，需要显示传递 “–color=auto” 选项。

实例如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
  pid_t pid=fork();
  if(pid==-1)
  {
    perror("fork"),exit(-1);
  }
  else if(pid==0)
  {
    printf("child process is running... pid:%d\n ", getpid());

    int ret = execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", "--color=auto", NULL);
    if(ret == -1)
    {
      printf("process exec fail....\n");
      exit(1);
    }

    printf("child process is done... pid:%d\n ", getpid());
    return 0;
  }
  else{
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(pid, &status, 0);  //进程等待
    if(ret == -1)
    {
      perror("waitpid");
      return 1;
    }
    else
    { 
      printf("exit single:%d, exit code:%d\n", (status & 0x7f),(status >> 8 & 0xff));
    }
  }
  return 0;
}

可以看到在命令行上使用 “ls -a -l” 和使用进程程序替换得到的结果一致。

（2）execv && execvp
“v” 代表参数采用数组的形式传递 – argv 是一个指针数组，数组里面的每一个元素都是指针，每一个指针都指向一个参数 (字符串)，同样最后一个元素指向 NULL，代表参数传递完毕；
（3）execle && execvpe
“e” 代表环境变量 – 和 argv 一样，envp 也是一个指针数组，数组里面的每个元素都是一个指针，指向一个环境变量 (字符串)，我们可以显式初始化 envp 来传递我们自定义的环境变量，但是这也代表着我们放弃了系统环境变量