【Linux进程控制】进程控制专篇

news2024/11/18 15:25:32

【Linux进程控制】进程控制专篇

目录

  • 【Linux进程控制】进程控制专篇
      • 进程创建
        • fork函数
        • 写实拷贝
        • fork常规用法
        • fork调用失败的原因
      • 进程终止
        • 进程退出场景
        • 进程常见退出方法
        • _exit函数
        • return退出
      • 进程等待
        • 进程等待必要性
        • 进程等待的方法
        • 获取子进程status
      • 具体代码实现
      • 进程程序替换
        • 替换原理
        • 替换函数
        • 函数解释
        • 命名理解
      • 模拟简易shell

作者：爱写代码的刚子

时间：2023.10.29

前言：本篇博客将再次介绍fork函数，理解进程等待，进程替换，进程终止，认识shell运行原理。

进程创建

fork函数

fork函数：从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，原进程为父进程。

fork函数返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，创建失败返回-1。

在这里插入图片描述

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（父子进程谁先执行由调度器决定）
写实拷贝

通常，父子代码共享，父子在不写入时，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

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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

进程终止

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
进程常见退出方法

正常终止（可以通过**echo $?**查看进程退出码）：

  • 从main返回
  • 调用exit
  • _exit

异常退出

  • ctrl + c，信号终止
_exit函数

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  • 注：参数status定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
return退出

return是一种更常见的退出进程方法。执行return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。

【问题】:exit函数与_exit函数的区别？

实验一：

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实验二：

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  • 从以上实验中我们可以知道exit函数清空了该程序的缓冲区，而_exit则是直接结束进程。同时exit函数会将所有使用atexit注册的函数进行调用以后再退出（_cxa_atexit()和atexit()这两个函数的作用相同，作用：注册一些函数用于在main()函数调用完以后再调用。）

在这里插入图片描述

进程等待

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。

  • 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

进程等待的方法

wait方法:

在这里插入图片描述

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NULL

waitpid方法

在这里插入图片描述

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

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):

在这里插入图片描述
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具体代码实现

进程的阻塞等待：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>


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; 
}

进程的非阻塞等待：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>


int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)//子进程
    {
        int cnt=5;
        while(cnt--)
        {
           printf("子进程：%d,父进程：%d,cnt：%d\n",getpid(),getppid(),cnt);
           sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    else if(id>0)//父进程
    {
        int status=0;
        while(1)
        {
            pid_t wait=waitpid(id,&status,WNOHANG);
            if(wait>0)
            {

                printf("子进程结束，等待成功\n");
                sleep(1);
                if(WIFEXITED(status))
                {
                    printf("进程是正常跑完的，退出码：%d\n",WEXITSTATUS(status));    
                }
                else{
                    printf("进程退出异常\n");
                    break;
                }
            }
            else if(wait<0){
                printf("wait failed!\n");

                break;
            }
            else{
                printf("子进程没有结束，继续等待\n");
                //这里父进程做自己的事情
                sleep(1);
            }
            
        }


    }
    else{
        printf("子进程创建失败\n");
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

进程程序替换

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。

替换函数

六种exec函数：

#include <unistd.h>
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[]);

在这里插入图片描述

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

  • 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

函数名参数格式是否带路径是否使用当前环境变量
execl列表不是是
execlp列表是是
execle列表不是不是，须自己组装环境变量
execv数组不是是
execvp数组是是
execve数组不是不是，须自己组装环境变量
#include <unistd.h>

int main() {
    char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
    char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
    execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径 
	execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 带e的，需要自己组装环境变量 execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
    execv("/bin/ps", argv);
	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径 
	execvp("ps", argv);
	// 带e的，需要自己组装环境变量 
	execve("/bin/ps", argv, envp);
	exit(0); 
}

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。

下图exec函数族 一个完整的例子:

在这里插入图片描述

模拟简易shell

类似效果（此外还可以设置环境变量、pwd、cd等操作）：

在这里插入图片描述

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44

int lastcode = 0;
int quit = 0;
extern char **environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char *argv[ARGC_SIZE];
char pwd[LINE_SIZE];

// 自定义环境变量表
char myenv[LINE_SIZE];
// 自定义本地变量表


const char *getusername()
{
    return getenv("USER");
}

const char *_gethostname()
{
    return getenv("HOSTNAME");
}

void getpwd()
{
    getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}

void interact(char *cline, int size)
{
    getpwd();
    printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), _gethostname(), pwd);
    char *s = fgets(cline, size, stdin);
    assert(s);
    (void)s;
    // "abcd\n\0"
    cline[strlen(cline)-1] = '\0';
}

int splitstring(char cline[], char *_argv[])
{
    int i = 0;
    argv[i++] = strtok(cline, DELIM);
    while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 故意写的=
    return i - 1;
}

void NormalExcute(char *_argv[])
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
        return;
    }
    else if(id == 0){
        //让子进程执行命令
        //execvpe(_argv[0], _argv, environ);
        execvp(_argv[0], _argv);
        exit(EXIT_CODE);
    }
    else{
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if(rid == id) 
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
        }
    }
}

int buildCommand(char *_argv[], int _argc)
{
    if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0){
        chdir(argv[1]);
        getpwd();
        sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);
        return 1;
    }
    else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0){
        strcpy(myenv, _argv[1]);
        putenv(myenv);
        return 1;
    }
    else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0){
        if(strcmp(_argv[1], "$?") == 0)
        {
            printf("%d\n", lastcode);
            lastcode=0;
        }
        else if(*_argv[1] == '$'){
            char *val = getenv(_argv[1]+1);
            if(val) printf("%s\n", val);
        }
        else{
            printf("%s\n", _argv[1]);
        }

        return 1;
    }

    // 特殊处理一下ls
    if(strcmp(_argv[0], "ls") == 0)
    {
        _argv[_argc++] = "--color";
        _argv[_argc] = NULL;
    }
    return 0;
}

int main()
{
    while(!quit){
        // 1.
        // 2. 交互问题,获取命令行
        interact(commandline, sizeof(commandline));

        // commandline -> "ls -a -l -n\0" -> "ls" "-a" "-l" "-n"
        // 3. 子串分割的问题，解析命令行
        int argc = splitstring(commandline, argv);
        if(argc == 0) continue;

        // 4. 指令的判断 
        // debug
        //for(int i = 0; argv[i]; i++) printf("[%d]: %s\n", i, argv[i]);
        //内键命令，本质就是一个shell内部的一个函数
        int n = buildCommand(argv, argc);

        // 5. 普通命令的执行
        if(!n) NormalExcute(argv);
    }
    return 0;
}

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