一、进程等待

1、进程等待的必要性

1. 子进程退出，父进程如果不读取子进程的退出信息，子进程就会变成僵尸进程，进而造成内存泄漏。
2. 进程一旦变成僵尸进程，那么就算是kill -9命令也无法将其杀死，因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。
3. 对于一个进程来说，最关心自己的就是其父进程，因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
4. 父进程需要通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息。

2、获取子进程status

1、下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是：一个输出型参数，由操作系统进行填充。

2、如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

3、对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。

• WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。
• WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。

需要注意的是，当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。

3、进程等待的方法

（1）wait（）函数

1. 函数原型：pid_t wait(int* status);
2. 作用：等待任意子进程
3. 返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。
4. 参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。

例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

（2）waitpid函数

1. 函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

2. 作用：等待指定子进程或任意子进程。

3. 返回值：
   （1）等待成功返回被等待进程的pid。
   （2）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。
   （3）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。

   4、参数：
   （1）pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。
   （2）status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
   （3）options：当设置为WNOHANG时，若等待的子进程没有结束，则waitpid函数直接返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的pid。

例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。
注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

4、多进程创建以及等待的代码模型

上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子，实际上我们还可以同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出，这叫做多进程创建以及等待的代码模型。

例如，以下代码中同时创建了10个子进程，同时将子进程的pid放入到ids数组当中，并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标，之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。

运行代码，这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。

5、非阻塞接口 轮询

上述所给例子中，当子进程未退出时，父进程都在一直等待子进程退出，在等待期间，父进程不能做任何事情，这种等待叫做阻塞等待。

实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出，而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情，当子进程退出时再读取子进程的退出信息，即非阻塞等待。

做法很简单，向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG，这样一来，等待的子进程若是没有结束，那么waitpid函数将直接返回0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的pid。

例如，父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数，若是等待的子进程尚未退出，则父进程可以先去做一些其他事，过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。

二、进程替换

1、替换原理

用fork创建子进程后，子进程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），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec类函数。

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，并从新程序的启动例程开始执行。（其他都不变！）

1. 当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？
   进程程序替换之后，该进程对应的task_struct、进程地址空间 以 及页表等 数据结构 都没有发生改变，只有进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。

2.子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？

子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据

2、替换函数

替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：

（1）execl函数

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序

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

（2）execlp函数（p：就是文件）

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

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序

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

（3）execle函数（以e结尾：environment环境变量）

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

（4）execv函数（以v结尾：vector 数组）

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

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。

例如，要执行的是ls程序

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

（5）execvp函数（v+p：数组+文件）

int execvp(const char *file, char *const argv[]);
第一个参数是要执行程序的名字，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。

例如，要执行的是ls程序。

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

（6）execve函数（v+p：数组+环境变量）

int execve(const char *path, 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。

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。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。

char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);

3、函数解释

• 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。

也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。

4、命名理解

这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：

1. l(list)：表示参数采用列表的形式，一一列出。
2. v(vector)：表示参数采用数组的形式。
3. p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找。（其实参数就是文件~）
4. e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量。

5、代码演示

（1）演示一

（2）演示二

如果替换失败，就直接忽视，继续执行原来的进程代码！

（3）execv 和 execvp 调用举例

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

代码:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<wait.h>
 
// 多进程版本
int main()
{
  printf("testexec ... begin!\n");
  pid_t id = fork();
  if(id == 0)
  {
    // child
    printf("I am child process,pid:%d\n",getpid());
    sleep(2);
    char* const argv[]=
    {
     (char*)"ls",
     (char*)"-a",
     (char*)"-l",
     (char*)"--color",
      NULL
    };
    // execv("/usr/bin/ls",argv);
    execvp("ls",argv);
  }
  
  // father
  int status = 0;
  pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
  if(rid > 0)
  {
    printf("father wait success,child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
  }
  else 
  {
    printf("father wait failed!\n");
  }
  printf("testexec ... end!\n");
  return 0;
}

（4）execvpe调用举例

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

代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<wait.h>
#include<stdlib.h>
 
// 多进程版本
int main()
{
  printf("testexec ... begin!\n");
  pid_t id = fork();
  if(id == 0)
  {
    // child
    // 我的父进程本身就有一批环境变量，从bash来，自己想添加可以使用putenv
    putenv("HHHH=333333333");// 头文件 stdlib.h
    char* const argv[]=
    {
      (char*)"mypragma",
      (char*)"-a",
      (char*)"-b",
      NULL 
    };
    printf("I am child process,pid:%d\n",getpid());
    sleep(2);
    extern char** environ;
    execvpe("./mypragma",argv,environ);
  }
  
  // father
  int status = 0;
  pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
  if(rid > 0)
  {
    printf("father wait success,child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
  }
  else 
  {
    printf("father wait failed!\n");
  }
  printf("testexec ... end!\n");
  return 0;
}

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它六个函数最终都调用 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。