Linux 进程控制：创建、终止、等待与程序替换全解析

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1.进程创建

1-1 fork函数初识

1-2 fork函数返回值

1-3 写时拷贝

1-4 fork常规用法

1-5 fork调用失败的原因

2. 进程终止

2-1 进程退出场景

2-2 进程常见退出方法

2-2-1 退出码

2-2-2 _exit函数

2-2-3 exit函数

2-2-4 return退出

3. 进程等待

3-1 进程等待必要性

3-2 进程等待的方法

3-2-1 wait方法

3-2-2 waitpid方法

3-2-3 获取子进程status

3-2-4 阻塞与非阻塞等待

4. 进程程序替换

4-1 替换原理

4-2 替换函数

4-2-1 函数解释

4-2-2 命名理解

1.进程创建

1-1 fork函数初识

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, 而原进程为父进程｡

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值:自进程中返回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

当一个进程调用fork之后,就有两个二进制代码相同的进程｡而且它们都运行到相同的地方｡但每个进程都将可以开始它们自己的旅程,看如下程序｡

int main( void )
{
    pid_t pid;

    printf("Before: pid is %d\n", getpid());

    if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);

    printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
        sleep(1);

    return 0;
}
运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677
After:pid is 43677, fork return 0

这里看到了三行输出,一行before,两行after｡进程43676先打印before消息,然后它有打印after｡另一个after消息有43677打印的｡注意到进程43677没有打印before,为什么呢?如下图所示

所以,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｡

1-2 fork函数返回值

子进程返回0
父进程返回的是子进程的pid｡

1-3 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｡具体见下图:

因为有写时拷贝技术的存在,所以父子进程得以彻底分离离!完成了进程独立性的技术保证!

写时拷贝,是一种延时申请技术,可以提高整机内存的使用率

1-4 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｡（让子进程帮父进程执行任务）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｡

1-5 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

2. 进程终止

进程终止的本质是释放系统资源,就是释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码｡

2-1 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

2-2 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
调用_exit

异常退出:

ctrl + c,信号终止

2-2-1 退出码

退出码(退出状态)可以告诉我们最后一次执行的命令的状态｡在命令结束以后,我们可以知道命令是成功完成的还是以错误结束的｡

其基本思想是,程序返回退出代码 0 时表示执行成功,没有问题｡代码 1 或 0 以外的任何代码都被视为不成功｡

Linux Shell 中的主要退出码：

退出码 0 表示命令执行无误,这是完成命令的理想状态｡
退出码 1 我们也可以将其解释为 “不被允许的操作”｡例如在没有 sudo 权限的情况下使用 yum;再例如除以 0 等操作也会返回错误码 1 ,对应的命令为let a=1/0
130 (SIGINT 或 ^C )和 143 (SIGTERM )等终止信号是非常典型的,它们属于 128+n 信号,其中 n 代表终止码｡
可以使用strerror函数来获取退出码对应的描述｡

2-2-2 _exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

参数:status 定义了进程的终止状态,父进程通过wait来获取该值

说明:虽然status是int,但是仅有低8位可以被父进程所用｡所以_exit(-1)时,在终端执行$?发现返回值是255｡

2-2-3 exit函数

#include <unistd.h>

void exit(int status);

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前,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
调用_exit

int main()
{
    printf("hello");
    exit(0);
}

运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#


int main()
{
    printf("hello");
    _exit(0);
}

运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#

2-2-4 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｡

3. 进程等待

3-1 进程等待必要性

之前讲过,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

3-2 进程等待的方法

3-2-1 wait方法

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

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为NULL

3-2-2 waitpid方法

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

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: 输出型参数

            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:默认为0,表示阻塞等待

            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,则立即出错返回｡

3-2-3 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):

(本质是同一张表)

测试代码：

输出结果：

3-2-4 阻塞与非阻塞等待

阻塞等待方式代码解析

int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if(pid < 0){
        // fork函数调用失败时打印错误信息，__FUNCTION__表示当前函数名
        printf("%s fork error\n",__FUNCTION__); 
        return 1;
    }
    else if( pid == 0 ){ //child
        // 子进程打印自身进程ID
        printf("child is run, pid is : %d\n",getpid()); 
        // 子进程睡眠5秒
        sleep(5); 
        // 子进程以257为退出码退出
        exit(257); 
    }
    else{
        int status = 0;
        // 使用waitpid进行阻塞式等待，等待任意子进程（第一个参数为-1），将子进程状态信息存入status
        pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0); 
        printf("this is test for wait\n");
        // 判断子进程是否正常退出并且waitpid返回的是正确的子进程ID
        if(WIFEXITED(status) && ret == pid ){ 
            // 打印等待成功信息以及子进程的返回码（通过WEXITSTATUS宏获取）
            printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status)); 
        }
        else{
            // 等待子进程失败时打印信息
            printf("wait child failed, return.\n"); 
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

输出结果：

非阻塞等待方式代码：

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

// 定义函数指针类型
typedef void (*handler_t)(); 
// 定义函数指针数组
std::vector<handler_t> handlers; 

// 临时任务函数1
void fun_one() { 
    printf("这是一个临时任务1\n");
}
// 临时任务函数2
void fun_two() { 
    printf("这是一个临时任务2\n");
}
// 向函数指针数组中添加任务函数
void Load() { 
    handlers.push_back(fun_one);
    handlers.push_back(fun_two);
}

void handler() {
    if (handlers.empty())
        Load();
    // 遍历函数指针数组并调用每个函数
    for (auto iter : handlers) 
        iter();
}

int main() {
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        // fork函数调用失败时打印错误信息
        printf("%s fork error\n", __FUNCTION__); 
        return 1;
    }
    else if (pid == 0) {  // child
        // 子进程打印自身进程ID
        printf("child is run, pid is : %d\n", getpid()); 
        // 子进程睡眠5秒
        sleep(5); 
        // 子进程以1为退出码退出
        exit(1); 
    }
    else {
        int status = 0;
        pid_t ret = 0;
        do {
            // 使用waitpid进行非阻塞等待，等待任意子进程（第一个参数为-1），若子进程未结束，不阻塞
            ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); 
            if (ret == 0) {
                // 子进程还在运行时打印信息
                printf("child is running\n"); 
            }
            handler();
        } while (ret == 0);
        // 判断子进程是否正常退出并且waitpid返回的是正确的子进程ID
        if (WIFEXITED(status) && ret == pid) { 
            // 打印等待成功信息以及子进程的返回码（通过WEXITSTATUS宏获取）
            printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status)); 
        } 
        else {
            // 等待子进程失败时打印信息
            printf("wait child failed, return.\n"); 
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

输出结果：

4. 进程程序替换

fork() 之后,父子各自执行父进程代码的一部分。如果子进程就想执行一个全新的程序呢?进程的程序替换来完成这个功能!

程序替换是通过特定的接口,加载磁盘上的一个全新的程序(代码和数据),加载到调用进程的地址空间中!

以下是比较简单的进程替换的代码，我们来看看现象：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程执行进程替换
        printf("子进程即将执行进程替换...\n");
        // 使用 execl 函数执行 /bin/ls 命令，列出当前目录内容
        if (execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL) == -1) {
            perror("execl");
            return 1;
        }
    } else {
        // 父进程等待子进程结束
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);
        printf("父进程：子进程已结束。\n");
    }

    return 0;
}

4-1 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｡

4-2 替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称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[]);

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