Linux 进程控制：创建、终止、等待与程序替换全解析

亲爱的读者朋友们😃，此文开启知识盛宴与思想碰撞🎉。

快来参与讨论💬，点赞👍、收藏⭐、分享📤，共创活力社区。

---

目录

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​ 

1. 系统中有太多的进程 
2. 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): 

1.  从main返回
2. 调用exit
3. 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:​

1. 执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数｡​
2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
3. 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IDprintf("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statuspid_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IDif(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IDprintf("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IDif (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[]);

 

 4-2-1 函数解释​

• 这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回｡​
• 如果调用出错则返回-1​
• 所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值｡​

4-2-2 命名理解​

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记｡​

• l(list) : 表示参数采用列表​
• v(vector) : 参数用数组​
• p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH​
• e(env) : 表示自己维护环境变量​

       

         事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用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｡ ​

---

进程控制到这就讲解完毕啦，下篇文章我们将运用目前所学，自己实现一个shell命令行解释器！

如果对其感兴趣的话，期待你的关注👉 【A charmer】