【Linux进程控制】进程创建｜终止

news2024/11/24 3:18:40

目录

一、进程创建

fork函数

写时拷贝

二、进程终止

想明白：终止是在做什么？

进程退出场景

常见信号码及其含义

进程退出的常见方法

正常终止与异常终止

exit与_exit的区别

一、进程创建

fork函数

在Linux中fork函数是非常重要的函数，它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，其中返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1；

测试 

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h> 
int main()
{
        printf("before fork, pid = %d\n", getpid());
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);//进程创建失败
        (void)id;

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

上面代码执行路径如下图所示

进程调用fork，当控制转移到内核的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中

❍ fork返回，开始调度器调度

当父进程调用 fork() 时，会发生以下几件事情：

1.进程复制：操作系统会创建父进程的一个副本，这个副本就是子进程。子进程几乎与父进程完全相同，它们拥有相同的程序文本、数据段、堆栈、文件描述符等。

2.资源共享与复制：尽管子进程是父进程的一个副本，但是它们之间还是有所区别的，例如，它们有不同的进程ID（PID）、不同的父进程ID（PPID）以及一些独立的资源，如虚拟内存等。

3.执行流程：fork() 调用之后，父进程和子进程都会从 fork() 函数调用后的下一条指令开始执行。

4.返回值：fork() 在父进程中返回子进程的 PID，在子进程中返回 0，如果出错则返回 -1。

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

写时拷贝

写时拷贝（Copy-on-Write，简称COW）是一种计算机程序设计的优化策略。这种策略在多个进程试图写入同一块数据时，才会真正进行数据复制，而不是一开始就为每个进程分配独立的物理内存空间。

工作原理：

1.共享数据：当父进程通过 fork() 创建子进程时，并不立即为子进程分配一份父进程数据段的副本。相反，父子进程共享同一块物理内存页。

2.写操作检测：操作系统会标记这些共享的内存页为“写时拷贝”。这意味着如果任何一个进程试图写入这些页，操作系统会捕捉到这个写操作。

3.数据复制：当写操作发生时，操作系统会触发页错误（page fault）。操作系统随后会创建一个新的内存页，并将原页的内容复制到新页上，然后将写操作指向新的内存页。对于其他进程，原内存页保持不变。

4.页分离：这个过程称为页分离（page splitting）。之后，每个进程都会有自己的内存页副本，对其中一个进程的修改不会影响到另一个进程。

优点：

  • 效率提升：在 fork() 调用后，不需要立即复制父进程的所有资源，减少了不必要的内存消耗和复制时间。

  • 内存使用优化：只有在实际需要时才分配内存，这可以显著减少内存的使用。

  • 性能提升：减少了进程创建时的开销，提高了系统的整体性能。

缺点：

  • 写操作开销：第一次写操作时会有额外的开销，因为需要复制内存页。

  • 复杂性：实现写时拷贝会增加操作系统内核的复杂性。


 

二、进程终止

想明白：终止是在做什么？

操作系统要释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码（本质就是释放系统资源）。

进程退出场景

  • 代码执行完毕，结果正确

#include <stdio.h>
int Add(int from, int to)
{
	int sum = 0;
	for(int i = from; i <= to; i++)
	{
		sum += i;
	}
	return sum;
}
int main()
{
	printf("Add 1 to 100 is %d\n", Add(0, 100));
	return 0;
}
[wuxu@Nanyi lesson16]$ gcc -o test test1.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson16]$ ./test
Add 1 to 100 is 5050

  • 代码运行完毕，结果不正确

#include <stdio.h>
int Add(int from, int to)
{
        int sum = 0;
  //此处应该是 i<=to
        for(int i = from; i < to; i++)
        {
                sum += i;
        }
        return sum;
}

int main()
{
        printf("Add 1 to 100 is %d\n", Add(0, 100));
        return 0;
}
[wuxu@Nanyi lesson16]$ gcc -o test test1.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson16]$ ./test
Add 1 to 100 is 4950

  • 代码异常终止。即代码没有跑完，程序崩溃

#include <stdio.h>

int main()
{
        int* p = NULL;
        *p = 100;//空指针解引用--->野指针
        return 0;
}
[wuxu@Nanyi lesson16]$ gcc -o test test2.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson16]$ ./test
Segmentation fault

  • 在程序执行结束时，我们会使用return语句返回一个数值作为main函数的返回值，这个返回值有什么用呢？

【例子1】张三参加一场考试，回家后给老爹汇报成绩

如果小明考了100分（满分100）那么他的老爹并不会关心他为什么考了100分；但当小明考了1分，他的老爹则会问他为什么考1分。因此做出如下约定，每个数字标识不同的原因：

状态码描述
1考试过程中生病了导致没考好
2没有好好学习导致没考好
......

在操作系统中，对于程序正常终止我们并不关心（正常程序终止返回状态码0），但程序一旦出现错误（返回码非0），我们就需要知道程序出错的原因。操作系统对于不同的状态码给了不同的错误描述信息，我们可以使用errno.h 下的 errno 变量获取错误码，使用 strerror(errno)获取错误码的错误描述

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	for(int i = 0; i < 200; i++)
	{
		printf("[%d]->%s\n", i, strerror(i));
	}
	return 0;
}

  • 谁会关心当前进程的退出码呢？-->父进程

父进程为何关心子进程的退出码？

◉ 错误处理：如果子进程因为错误而终止，它通常会返回一个非零的退出码。父进程可以根据这个退出码来决定是否需要采取补救措施，比如重新执行失败的子进程，或者记录错误信息。

◉ 流程控制：在某些情况下，父进程的后续行为可能依赖于子进程的成功执行。如果子进程返回一个表示成功的退出码（通常是0），父进程可以继续执行下一步操作；否则，它可能会停止执行或执行不同的代码路径。

◉ 状态报告：父进程可能需要向用户或其他进程报告子进程的执行结果。退出码是传递这种状态信息的简单方式。

在Linux中，可以使用echo $?来查看最近一次执行的子进程的退出码

我们在回到刚刚野指针的例子上，重新执行一下程序：

[wuxu@Nanyi lesson16]$ gcc -o test test2.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson16]$ ./test
Segmentation fault
[wuxu@Nanyi lesson16]$ echo $?
127
[wuxu@Nanyi lesson16]$ echo $?
0

通过观察我们发现同一个程序，为什么两次的退出码不一样？

其实第一个127是./test的执行码，表示这个程序出现了Segmentation fault错误，第二个执行码表示echo这个命令执行成功，返回0

一旦程序出现异常，退出码就没有意义了

为什么出现了异常？--> 我们可以看进程退出的时候，退出信号是多少，就可以判断进程为什么异常了。

进程出异常本质是因为进程收到了OS发给进程的信号

【示例】我们写一个除0的程序，看会出现什么错误

#include <stdio.h>

int main()
{
	int a = 1 / 0;
	return 0;
}
[wuxu@Nanyi lesson16]$ ./error
Floating point exception

在该程序发生错误时，操作系统给该程序的进程发送了8号信号SIGFPE。我们可以通过 kill -l 查看所有的信号码以及对应信号名

我们来验证一下，上面的程序时接收到8号信号才终止的

#include <stdio.h>

int main()
{
	while(1)
	{}
	return 0;
}

 

常见信号码及其含义
信号码信号名称含义
1SIGHUP挂起，通常在终端关闭或控制进程结束时发送给子进程。
2SIGINT中断，通常在用户按下Ctrl+C时发送。
3SIGQUIT退出，用户按下Ctrl+\时发送，通常会导致进程终止并生成核心转储。
4SIGILL非法指令，执行了非法的机器语言指令。
5SIGTRAP跟踪陷阱，由调试器使用。
6SIGABRT中止，调用abort()函数时发送。
7SIGBUS总线错误，涉及硬件错误。
8SIGFPE浮点异常，如除以零。
9SIGKILL杀死，无法捕获、阻塞或忽略，总是终止进程。
10SIGUSR1用户定义的信号1，可用于应用程序。
11SIGSEGV段违例，访问非法内存地址。
12SIGUSR2用户定义的信号2，可用于应用程序。
13SIGPIPE管道破裂，写入无读者的管道时发生。
14SIGALRM报警，由alarm()函数设置的时间到期时发送。
15SIGTERM终止，请求进程终止。
信号码信号名称含义
16SIGSTKFLT栈溢出（Linux特有，在一些系统中不存在）
17SIGCHLD子进程结束，子进程处于停止状态或被终止时发送给父进程。
18SIGCONT继续执行，如果进程已停止，则使其继续运行。
19SIGSTOP停止进程的执行，无法被捕获或忽略。
20SIGTSTP停止进程的执行，可以被捕获，通常在用户按下Ctrl+Z时发送。
21SIGTTIN后台进程组尝试读取控制终端时发送。
22SIGTTOU后台进程组尝试写入控制终端时发送。
23SIGURGI/O紧急情况，套接字有紧急数据可读。
24SIGXCPU超过CPU时间限制（CPU时间限制超时）。
25SIGXFSZ超过文件大小限制。
26SIGVTALRM虚拟定时器警报（类似于SIGALRM，但是计算的是进程的虚拟时间）。
27SIGPROF性能计数器超时（类似于SIGALRM，但是包括了处理器时间和时钟时间）。
28SIGWINCH窗口大小改变，通常在终端窗口大小改变时发送。
29SIGIOI/O可执行（Solaris系统中为SIGPOLL）。
30SIGPWR电源故障（系统关机）。
31SIGSYS系统调用异常（无效的系统调用）。

进程退出的常见方法

正常终止与异常终止

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）

  • 从main函数返回

  • 调用exit

  • _exit

异常终止

  • ctrl + c 信号终止

exit与_exit的区别

  • 终止处理程序和I/O缓冲区：exit()会执行终止处理程序和I/O缓冲区的清理，而_exit()则不会。

  • 头文件：exit()在stdlib.h中定义，而_exit()在unistd.h中定义。

  • 用途：由于_exit()不会进行清理工作，它通常用于不需要这些清理步骤的底层系统编程。

【例子】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
        printf("1 + 1 = %d", 1 + 1);
        _exit(1);
        return 0;
}
[wuxu@Nanyi lesson16]$ vim test5.c
[wuxu@Nanyi lesson16]$ gcc -o test test5.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson16]$ ./test
[wuxu@Nanyi lesson16]$ echo $?
1

通过结果我们发现，并没有打印1+1=2这个结果，也就是_exit不会刷新缓冲区，故最后并没有打印。

如果换成exit

[wuxu@Nanyi lesson16]$ gcc -o test test5.c -std=c99
[wuxu@Nanyi lesson16]$ ./test
1 + 1 = 2 [wuxu@Nanyi lesson16]$ echo $?
1

我们会发现它打印出最终结果，顺便提醒一下 exit与_exit 头文件不一样哦

exit最后也会调用_exit，但在exit除了调用_exit，还做了其他工作：

❍ 执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数 ​

❍ 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入（即刷新缓冲区）

​ ❍ 再调用_exit

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的返回值当作exit的参数

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