Linux下进程控制

文章目录

创建进程
- fork创建进程
- - fork返回值
  - 写诗拷贝
  - fork常规用法
  - fork失败的原因
- 进程终止
- - 进程正常终止
  - 查看进程退出码
  - _exit函数
  - exit函数
  - exit 和 _exit 的区别
  - return退出
- 进程等待
- - 进程等待的方式
  - - wait方法(系统调用)
    - waitpid方法(系统调用)
  - WEXITSTATUS 和 WIFEXITED
  - 阻塞等待和非阻塞等待
- 进程程序替换
- - 替换函数
  - - execl函数
    - execlp函数
    - execle函数
    - execv函数
    - execvp函数
    - execvpe函数
  - exec系列函数
  - exec家族关系

创建进程

fork创建进程

fork函数

返回值：子进程中返回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，内核做：

分配新的内存块和内核数据结构给子进程
将父进程的部分数据结构内容拷贝给子进程
将子进程添加到系统进程列表当中
fork返回，调度器开始调度

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    printf("before fork pid is :%d\n",getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
    }

    printf("after fork pid id :%d\n",getpid());
    
    printf("fork return value is :%d\n",id);
    return 0;
}

上面程序运行结果

可以看出，12行和14行中的打印信息被执行了两次，而且两次的值也不一样。

因为fork之前父进程单独执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

fork返回值

子进程返回0
父进程返回的是子进程的id

写诗拷贝

fork之后，父子进程共享代码，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。

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

进程退出的场景：

代码跑完，结果正确。
代码跑完，结果不正确
代码没跑完，进程出异常

进程正常终止

main返回
调用_exit
使用exit

再平时写C/C++程序时，一般都i会这样写

#include <stdio.h>
int main()
{
    //...
    return 0;
}

都会在main函数最后一行写一句return 0;
return 0；就是进程的退出码，一般0表示成功，非0 表示失败。
一但程序执行失败，需要知道原因，用不同的数字来表示不同的失败原因。

查看进程退出码

使用echo $?可以查看最近一次进程的退出码

比如系统中没有lll命令，执行，然后查看进程退出码，可以看到退出码为127

在C标准库函数中，有一个strerror函数，用于将错误码（通常是由系统调用或库函数返回的错误码）转换为对应的错误消息字符串。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    for (size_t i = 0; i < 255; i++)
    {
        printf("error code %d:%s\n",i,strerror(i));
    }
    return 0;
}

Linux下错误码一共有133个。

_exit函数

参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
_exit在程序的任意位置都可以终止进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void test()
{
    printf("Hello World\n");
    _exit(1);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

运行结果:

main函数中的return 0；还没有执行到进程就终止了。

exit函数

exit和_exit 的区别，exit是c语言的进程终止的函数，而_exit是Linux系统调用接口的函数，c语言在实现exit函数时会封装_exit。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    printf("Hello World\n");
    exit(1);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

进程退出码和上面一样，都是1，main函数中的return 0；不会执行，进程就终止了。

exit 和 _exit 的区别

eixt会刷新缓冲区更推荐
_eixt 不会刷新缓冲区。
exit封装了_exit;

同样的代码，分别使用eixt 和 _exit终止进程，exit会刷新缓冲区。(printf语句没有加\n),而_exit则不会刷新缓冲区。

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。
只有在main函数中return才能起到进程终止的作用，在其他函数中return不会终止进程，仅仅只是函数调用结束。

进程等待

进程等待的必要性：

子进程退出，父进程不等待，子进程可能变僵尸，从而造成内存泄漏
一个进程一旦变为僵尸，谁都无能为力，kill也杀不掉，因为，无法杀掉一个已经死掉的进程。
父进程创建子进程，子进程的任务完成的情况，我们需要知道。子进程的运行结果是否正确，是否正常退出(比如ls命令是bash的子进程，ls的执行情况是需要我们知道的)
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。(父进程必须要做的)

进程等待的方式

wait方法(系统调用)

man 2 wait 认识wait

返回值：
等待成功，返回子进程的pid
等待失败，返回-1。

函数参数:
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

wait：它等待任意子进程退出，而不需要指定特定的子进程ID。如果没有子进程退出，wait 会阻塞当前进程直到有子进程退出。(阻塞等待简单理解就是父进程啥也不干，就只等子进程退出进行回收)

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
   if(id < 0 )
   {
    perror("fork\n");
   }
   else if(id == 0){
    //子进程
    printf("i am child process.pid = %d\n",getpid());
    //子进程退出 退出码为1 
    exit(1);
   }
   else{
     //父进程
    printf("i am Parent process waiting...\n");
    sleep(3);//父进程等待三秒后回收子进程
    int status = 0;
    pid_t waitid = wait(&status);//不想获取子进程退出码可以设置为NULL
    //等待失败处理
    if(waitid == -1)
    {
        perror("wait fail\n");
        exit(-1);
    }
    printf("wait sucess， child excit code = %d,waitid = %d\n",status,waitid);
   }
    return 0;
}

运行结果:

这里父进程获取到的子进程退出码并不是1，而是256
这是因为status占4个字节，32个比特位。前十六位不用关心，后是6位前8位表示进程正常的退出码，最后七位表示进程异常收到的信号，退出码和信号中间的一位是core dump标志位，和信号有关，这里不用深究。

exit(1) 则是进程正常退出，也没有收到异常信号，status则是

这就是256的原因。
如果想直接拿到进程的退出码，而不是status，(status>>8)& 0xff即可
上面代码31行修改为

 printf("wait sucess， child excit code = %d,waitid = %d\n",(status>>8)&0xFF,waitid);

运行结果：

waitpid方法(系统调用)

等待指定进程或者任意子进程,相比wait更灵活
man 2 waitpid 认识waitpid

参数：

pdi：等待子进程的id，若设置为-1，则和wait等效
status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心子进程退出状态设置为NULL
options：设置等待方式，阻塞等待或者非阻塞等待

返回值：

等待成功返回被等待进程的pid。
等待方式设置为非阻塞等待(WNOHANG)，而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；

阻塞等待示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    //waitpid阻塞等待
    pid_t id = fork();
    if(id < 0 ){
        perror("fork\n");
        exit(-1);
    }
    else if(id == 0){
        //子进程
        printf("i am child process. pid = %d\n",getpid());
        sleep(3);
        exit(1);
    }
    else {
        //父进程
       printf("parent process waiting ...\n");
       int status = 0 ;
       pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待任意子进程
      
       if(WIFEXITED(status) && ret == id){//等待成功
        printf("wait sucess,child return code = %d,ret = %d\n",WIFEXITED(status),ret);
       }
       else{//等待失败
        printf("wait fail\n");
       }
    }
    return 0;
}

运行结果：

等待成功，子进程退出码为1，waitpid返回值为子进程的pid

WEXITSTATUS 和 WIFEXITED

WIFEXITED 和 WEXITSTATUS 是在 <sys/wait.h> 头文件中定义的两个宏，用于处理子进程的退出状态信息。

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）

非阻塞等待示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    //waitpid非阻塞等待
    pid_t id = fork();
    if(id < 0 ){//失败处理
        perror("fork\n");
        exit(-1);
    }
    else if(id == 0){//子进程
        printf("i am child process. pid = %d\n",getpid());
        sleep(3);
        exit(1);
    }
    else {//父进程
       printf("parent process waiting ...\n");
       int status = 0;
       pid_t ret  = 0;
       do
       {
            ret = waitpid(-1,&status,WNOHANG);//非阻塞等待任意子进程
            if(0 == ret){//子进程还没退出，父进程非阻塞等待可以做其他事情
                printf("child process is running,parent do other things\n");
                sleep(1);
            }
       }while(0 == ret);
       //等待成功
       if(WIFEXITED(status) && ret == id){
       //打印子进程退出码和waitpid返回值
        printf("wait sucess,child return code = %d,ret = %d\n",WEXITSTATUS(status),ret);
       }
       //等待失败
       else{
        printf("wait fail\n");
       }
    }
    return 0;
}

运行结果：

父进程非阻塞等待子进程时还可以做其他的事情， wiatpid返回值时子进程的id

阻塞等待和非阻塞等待

阻塞等待:

阻塞等待会导致进程无法执行其他任务，直到等待的事件发生。
waitpid函数设置为阻塞等待，只需将options参数设置为0

阻塞等待的优点：
- 实现简单，易于理解。
- 不需要额外的代码来检查事件状态。
阻塞等待的缺点：
- 整个进程或线程被挂起，无法执行其他任务。
- 可能导致资源浪费，因为进程被阻塞时，它可能无法充分利用系统资源

非阻塞等待：

waitpid函数设置为阻塞等待，需要将options参数设置为WNOHANG。(一个宏)

非阻塞等待的优点：
- 可以充分利用系统资源，因为在等待事件的同时可以执行其他任务。
- 更灵活，适用于需要同时处理多个任务的情况。
非阻塞等待的缺点：
- 实现较为复杂，需要额外的代码来轮询或处理事件通知。
- 可能会增加系统负载，因为需要周期性地检查事件状态

进程程序替换

进程程序替换是指一个正在运行的进程将自己的地址空间、代码、数据和堆栈等信息替换为另一个程序的内容。

用fork创建的子进程和父进程执行的是相同的程序，但有可能执行不同的代码分支。一般fork创建的子进程需要调用exec函数来执行另一个程序。
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并不会创建新的子进程，所以调用exec前后该进程的id并未改变。
程序替换是通过特定的接口，加载到磁盘上的一个程序，加载到调用进程的地址空间中

替换函数

有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

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[]);

execl函数

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

参数1：path 是要执行的程序的路径(需要指定路径)。
参数2：是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    //进程程序替换
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork fail\n");
    }
    else if(id == 0){
        //子进程
        printf("i am child process, pid =  %d",getpid());
        //子进程执行ls -a 命令
        execl("/usr/bin/ls","ls","-a",NULL);
        printf("exec end\n");
        exit(1);
    }
    else{
        //父进程
        int status = 0;
        pid_t  ret = waitpid(id,&status,0);//阻塞等待指定子进程
        if(WIFEXITED(status) && ret == id)//等待成功
        {
            printf("wait sucess,child return code = %d,ret = %d, id = %d\n",WEXITSTATUS(status),ret,id);
        }
    }
    return 0;
}

运行结果：

可以发现当进程程序替换完成后，exec后面的代码将不再执行。
一旦exec替换失败，才会只执行后面的代码
比如将上面17行要替换的进程改为一个不存在的，

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

执行结果：子进程后面的代码被执行了。

execlp函数

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

参数1：需要执行的程序名称。只需要指定程序名称，不需要指定路径
参数2：是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
示例：子进程执行ls命令

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

execle函数

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

参数1：需要执行程序的路径，
参数2：是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
参数3：envp：是一个以 NULL 结尾的字符串数组，用于设置新程序的环境变量。

// 设置新程序的环境变量
char *envp[] = {"MY_VARIABLE=value", NULL};
// 使用 execle 函数替换当前进程的程序
execle("/bin/echo", "echo", "Hello, execle!", (char *)NULL, envp);

运行结果：

execv函数

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

参数1：path 是要执行的程序的路径。
参数2：argv 是一个以 NULL 结尾的指针数组，其中包含新程序的名称和参数。

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

运行结果：

execvp函数

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

不用指定路径即可。

execvpe函数

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

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，第三个参数是你自己设置的环境变量。

exec系列函数

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。
如果调用出错，则返回-1。
exec函数只有成功的返回值，没有失败的返回值。