【Linux】万字解读＜进程控制＞：创建＆中止＆等待＆替换

前言

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一.进程创建
- 1.fork函数
- - 【1】fork函数与其返回值
  - 【2】fork函数中的写时拷贝
- 2.fork函数/进程创建的场景——常规用法
二.进程终止
- 1.进程退出的场景
- 2.进程应对不同退出场景的退出方法
- - 前置知识：echo $? 查看进程退出码
  - 前置知识：错误码VS退出码
  - 【1】正常退出————通过退出码判断
  - - 1.exit函数与 _exit函数
    - - 验证是否自动刷新缓冲区
    - 2.从main返回——return退出——等同于正常退出的exit
  - 【2】异常退出（程序崩溃）——操作系统转换成信号——进程被操作系统杀掉
  - - ※ctrl + c也能强制退出——信号终止
三.进程等待
- 1.进程等待基本介绍
- 2.进程等待的必要性
- 3.如何进行等待（wait＆waitpid）
- - 【1】wait函数参数与返回值介绍＆演示
  - 【2】waitpid函数参数与返回值介绍＆演示
  - 【3】输出型参数-status的原理演示＆status规则＆现象演示（要点）
四.进程程序替换
- 1.进程替换概念
- - 【1】进程替换概念
  - 【2】进程替换的机制＆情景演示
- 2.进程替换用到的exec类函数解释＆命名规则＆使用演示
- - 【1】exec类函数
  - 【2】exec类函数命名规则
  - 【3】exec类函数使用演示
  - - 1. execl
    - 2. execlp
    - 3. execv和execvp
  - 【4】exec类函数原理

一.进程创建

1.fork函数

【1】fork函数与其返回值

它从已存在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。
fork之前父进程独立执行，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。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

返回值：在子进程中返回0
       在父进程中返回子进程id，出错返回-1

【2】fork函数中的写时拷贝

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 （蓝色部分） ，具体见下图:
注意，其发生写时拷贝时，权限也会相应变化

2.fork函数/进程创建的场景——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（后文进程替换会提到）

二.进程终止

1.进程退出的场景

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

2.进程应对不同退出场景的退出方法

前置知识：echo $? 查看进程退出码

?：保存的是最近一个子进程执行完毕时的退出码
情况1：？= 0 ，表示成功
情况2：？！=0 ，可以用1，2，3，4，5不同的数字表示不同的错误原因

echo $?  ------指令
10 -------结果

前置知识：错误码VS退出码

**错误码：**通常是衡量一个库函数或者是一个系统调用一个函数的调用情况
**退出码：**通常是一个进程退出的时候，他的退出结果
**error错误码：**C语言提供的 全局变量 ，调用函数时如果出错了，他就会被设置成出错原因对应的数字
**strerror：**再把数字转换成描述出来的具体错误原因

#include <errno.h>
-- 测试调用失败情况
FILE *fp = fopen("./log.txt","r");

strerror():
printf("after: %d, error string : %s\n, errno, strerror(errno)");

【1】正常退出————通过退出码判断

1.exit函数与 _exit函数

任意地点调用exit，表示进程退出，不进行后续执行

exit( 退出码 ) 是 库函数 ——头文件：stdlib.h
_exit( 退出码 ) 是 系统调用 ——头文件：unistd.h

exit终止进程的时候， 会自动刷新缓冲区 。exit终止进程的时候， 不会自动刷新缓冲区

验证是否自动刷新缓冲区

exit函数会自动刷新缓冲区

// 对比下面两个程序，一个带\n,一个不带\n
// \n是行刷新，刷新到显示器上
int main()
{
    printf("you can see me!\n"); 
    sleep(6);
    exit(1);
}现象：遇到刷新条件，立刻刷新显示you can see me，6s后，程序退出

int main()
{
    printf("you can see me!"); 
    sleep(6);
    exit(1);
}现象：不立刻显示，6s后程序退出，强制刷新显示

_exit函数不会自动刷新缓冲区

// 对比下面两个程序，一个带\n,一个不带\n
// \n是行刷新，刷新到显示器上
int main()
{
    printf("you can see me!\n"); 
    sleep(6);
    _exit(1);
}现象：遇到刷新条件，立刻刷新显示you can see me，6s后，程序退出

int main()
{
    printf("you can see me!"); 
    sleep(6);
    _exit(1);
}现象：不立刻显示，6s后程序退出，也不会刷新显示

2.从main返回——return退出——等同于正常退出的exit

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函数 的返回值当做 exit 的参数。
换句话说， main函数 的退出码是可以被父进程获取的，用来判断子进程的运行结果

【2】异常退出（程序崩溃）——操作系统转换成信号——进程被操作系统杀掉

我们输入kill -l 可以看到有许多信号
崩溃时就是执行了-9信号，有时也会显示其他信号
信号具体内容可以看YY后续信号博客

※ctrl + c也能强制退出——信号终止

三.进程等待

1.进程等待基本介绍

通过wait/waitpid的方式，让父进程(一般)对子进程进行 资源回收 的等待过程

2.进程等待的必要性

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——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。
我们需要知道父进程派给子进程的 任务完成的如何 ，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

有时候进程也会 等待硬件资源 ，利用wait进程等待把自己挂起

3.如何进行等待（wait＆waitpid）

【1】wait函数参数与返回值介绍＆演示

返回值pid_t：成功返回 被等待进程pid ，失败返回-1。
参数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

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);

演示：

下方有一段程序，我们将参数设置成NULL即可

void Worker(int number)
{
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d, number: %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);//蓝色部分
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0) {//child
        Worker();
        exit(0);
    }
    else{//father橙色部分
       pid_t rid2 = wait(NULL);//wait函数
       if(rid == id)
       {
           printf("wait success, pid:%d\n",getpid());
       }
    return 0;
}

执行结果如下
逐步打印完蓝色部分后（子进程），执行橙色部分（父进程）
本质：子进程和父进程同时存在——>子进程变成 僵尸状态 ——>等待结束时， 子进程消失 ，只剩下父进程

【2】waitpid函数参数与返回值介绍＆演示

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option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）
无需其他操作，设置成NULL即可
options：

WNOHANG: 非阻塞等待。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。
option设置为0，表示阻塞等待

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

演示：

下方有一段程序，我们将参数中，pid设置成fork出的子进程id，status设置成NULL，而option设置成0——表示阻塞就等待的设置

void Worker(int number)
{
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d, number: %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {//child
        Worker();
        exit(0);
    }
    else{//father
       printf("wait before\n");
       pid_t rid = waitpid(id,NULL,0);//waitpid函数
       printf("wait after\n");
       if(rid == id)
       {
           printf("wait success, pid:%d\n",getpid());
       }
    return 0;
}

执行结果如下
先执行橙色部分（父进程）中的打印，逐步打印完蓝色部分后（子进程） 【先后顺序与操作系统调度有关，不确定谁先开始，但一般是父进程最后退出】
本质：子进程和父进程同时存在——>子进程变成 僵尸状态 ——>等待结束时， 子进程消失 ，只剩下父进程

【3】输出型参数-status的原理演示＆status规则＆现象演示（要点）

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

status参数 为 整形指针 类型，是 输出型参数 —— status用于接受子进程的退出码
因为进程具有独立性，父进程无法直接获得子进程的退出信息
我们也可以打印status观察它的值，但是要 注意status的规则 ! —— 意味着不能对status整体使用

原理：

我们需要定义一个整型变量 status
把 status 的地址，即我们的参数给内核；内核再 把这个地址指向区域上的值给回用户层变量中

status规则：

status是一个int的整数，一共32bit，只研究低16位
status用于接受子进程的退出码
所以一共记录三种信息，1.退出状态 2.core dump标志 3.终止信号
但是并 不是每个信息都会用到 ，下图分别是穷举2个场景的例子——正常终止以及被信号所杀时的区域划分情况

现象演示：

把子进程退出码改成10exit(10);，通过status把子进程的退出信息返回

void Worker(int number)
{
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d, number: %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {//child
        Worker();
        exit(10);//设置成10
    }
    else{//father
       printf("wait before\n");
       
       int status =0; //定义一个整型变量 status
       pid_t rid = waitpid(id,&status,0);//通过status把子进程的退出信息返回
       printf("wait before\n");
       if(rid == id)
       {
           printf("wait success, pid:%d\n",getpid(),status);//打印status指向的区域的内容
       }
    return 0;
}

执行结果为

2560  //输出结果为2560，而不是10

分析：该情况为正常退出，10作为退出状态填到9-15位的区域中，而打印是打印整体，也就是2560

四.进程程序替换

1.进程替换概念

【1】进程替换概念

我们所创建的所有的子进程，执行的代码，都是父进程代码的一部分
如果我们想让子进程 执行新的程序呢???-----进程替换：执行全新的代码和访问全新的数据，不再和父进程有瓜葛
注意：进程替换不创建子进程—— 目标程序的进程不变pid不变，只是改变代码和数据
如果直接替换代码和数据区，耦合可能同时影响父子进程，要维持进程的独立性——写时拷贝解决；我们有结论： 程序替换也存在写时拷贝

【2】进程替换的机制＆情景演示

机制：

进程替换成功： 子进程执行新的程序了， 剩下的代码不会执行了，被覆盖了。
进程替换失败： 继续执行子进程剩余内容。 只有失败才有返回值

演示：

当程序替换成功时，打印语句begin和执行替换后的语句，不打印语句end
当程序替换失败时，打印语句begin和语句end

//注：我们只要知道下面execl函数是 起到进程替换的作用就行
//即执行ls -a -l -n 指令，具体使用细节看下文exec类函数模块
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        printf("pid: %d, exec command begin\n",getpid());//语句begin
        execl("/usr/bin/ls", "lsaaa", "-a", "-l", "-n", NULL);
        printf("pid: %d, exec command end\n", getpid());//语句end
        exit(1);
    }
    else{
        // father
        pid_t rid = waitpid(-1, NULL, 0);
        if(rid > 0)
        {
            printf("wait success, rid: %d\n", rid);
        }
    }
    return 0;
}

2.进程替换用到的exec类函数解释＆命名规则＆使用演示

【1】exec类函数

exec类函数有如下几种：都是为了满足各种调用的场景

通过man exec可查看

注意事项：

所有的exec类函数以 NULL结尾 表示完成
参数中后的…表示 可变参数
exec用于程序替换，使用要满足：(1)必须找到可执行程序(2)必须要告诉exec*，怎么执行 ，下面会有具体演示

【2】exec类函数命名规则

l(list) : 表示参数采用列表——execl ，execlp，execle
v(vector) : 参数用数组——execv，execvp，execve
p(path) : 有p 自动搜索环境变量PATH——execvp
e(env) : 表示自己维护 环境变量——execve

【3】exec类函数使用演示

exec用于程序替换，使用要满足：(1)必须找到可执行程序(2)必须要告诉exec*，怎么执行 ，下面会有具体演示

1. execl

在这里插入图片描述

#include <unistd.h>
int main()
{
 //第一个参数找到可执行程序
 //后面的参数以列表形式（带l）告诉exec怎么执行
 //以NULL结尾
 execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
 execl("/usr/bin/top", "top", NULL);
 execl("/usr/bin/pwd", "pwd", NULL);
 execl("/usr/bin/bash", "bash","test.sh", NULL);
 exit(0);
 }

2. execlp

在这里插入图片描述

#include <unistd.h>
int main()
{
 //第一个参数，execlp带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 //后面的参数以列表形式（带l）告诉exec怎么执行 
 //以NULL结尾
 execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
 execlp("ls", "ls", "-a","-l", NULL);
 exit(0);
}

3. execv和execvp

在这里插入图片描述

#include <unistd.h>
int main()
{
 //第一个参数，execv和execvp带v的，使用数组传参
 //后面的参数以列表形式（带l）告诉exec怎么执行 
 //以NULL结尾
 char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
 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);
 exit(0);
}