Linux系统编程：进程控制

1.进程创建

1.1 fork函数

        fork（）通过复制调用进程来创建一个新进程。新进程称为子进程，是调用进程的精确副本
进程，但以下几点除外：

• 子进程有自己的PID，此PID与任何现有进程组的ID不匹配
• 子进程的父进程ID与父进程的进程ID相同。
• 子进程没有继承父进程的内存锁
• 进程资源利用率(getrusage(2))和CPU时间计数器(times(2))在子进程中重置为零
• 子进程的挂起信号集最初为空
• 子进程不能继承父进程的信号调整
• 子进程不从父进程继承记录锁
• 子进程不从父进程继承计时器
• 子进程不继承父进程未完成的异步I/O操作，也不继承任何异步操作从它的父进程中获取同步I/O上下文

#include <unistd.h>
pid_t fork();
返回值：fork成功则子进程PID被返回给父进程，0被返回给子进程。失败，-1被返回给父进程，没有子进程创建。-- 给父进程返回子进程的pid，子进程返回0，是因为一个父进程可以有多个子进程，儿子进程只能有一个父进程。

 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。但每个进程都将可执行自己的代码，看如下程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>int g_val = 0;
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 0;}else if(id == 0){ //childg_val = 100;printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{ //parentprintf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}

执行结果如下： 

 

由结果可以得出，fork之后，父子进程各自执行自己的代码块

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

1.2 写时拷贝

        通常，父子代码共享，父子在不写入时，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：

2.进程终止

进程退出场景：

• 代码运行结束，结果正确
• 代码运行结束，结果错误
• 代码异常终止

 进程退出方式：

• 从main返回 return n； 
  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。
• 在任意地方调用exit(errno) -- 库函数，终止进程，主动刷新缓冲区
• _exit() -- 系统调用，终止进程不会刷新缓冲区
• ctrl + c -- 信号终止

 echo $?  ：看记录最后一个进程在命令行执行完毕时对应的退出码

#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 。虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用

#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

3.进程等待 

        检测子进程推出信息，将子进程的退出信息通过status拿回来。

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 ’ ，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， kill -9 也无能为力
• 最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。
• 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

wait方法

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int* status);
参数：获取子进程的退出状态

返回值：成功，返回终止子进程的pid，失败返回-1

 waitpid方法

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(pid_t pid, int *status, int options);
参数：pid：pid=-1,等待任意子进程，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，拿到子进程的退出结果。-- 有自己的为图结构，只关心低16
                        个比特位()0-15,
                        次低八位(8-15)：进程退出状态(结果是否正确) -- 设为：(status>>8) &0XFF
                        低七位(0-7)：进程终止信号(是否正常结束) -- 设为：status&0X7F
           options：先设为0
返回值：成功，返回收集到的子进程的pid

              若无可以收集的一推出的子进程，return 0;

               若调用出错，返回-1，这时，errno会被设置为相应的值，以指示错误所在。

 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）        

 下面看一段示例代码：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){int cnt = 5;while(cnt){printf("我是子进程pid：%d, 父进程：%d, cnt = %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);sleep(1);}// int d = 10/0;exit(10);}sleep(7);int status = 0;pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);if(id > 0){printf("wait success: %d, sig_number: %d, child_exit_code: %d\n", ret, (status & 0x7F), (status>>8)&0xFF);}sleep(5);return 0;
}

结果下图所示：

第一个图为我执行kill -9 22287得到的结果，进程收到9号信号，进程终止

第二个图为程序正常运行结束的结果。

阻塞等待和非阻塞等待：

        阻塞等待：子进程未推出时，父进程不调用一直等待直到子进程结束。

        非阻塞等待：在与逆行期间一直询问子进程是否结束 waitpid()函数第三个参数设置为WNOHANG。
非阻塞等待的好处：

• 不会占用父进程的所有精力，可以在轮询期间做别的事情

下面为非阻塞式等待的代码：

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid < 0){printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);return 1;}else if( pid == 0 ){ //childprintf("child is run, pid is : %d\n",getpid());sleep(5);exit(1);} else{int status = 0;pid_t ret = 0;do{ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待if( ret == 0 ){printf("child is running\n");}sleep(1);}while(ret == 0);if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}return 0;
}

可以看到，父进程在等待子进程的同时还会执行打印语句。若为非阻塞等待，会一直卡在等待的环节。 

总结：

进程等待：

• 是什么？ -- 通过系统调用，让父进程等待子进程的方式
• 为什么？ -- 释放子进程的僵尸状态，获取子进程状态
• 怎么等？ -- wait/waitpid  阻塞等待/非阻塞等待

4.进程程序替换

        相当于用自己的程序把别人的程序跑起来，支持不同语言(任何后端语言)的替换

4.1 创建子进程的目的

• 想让子进程执行父进程代码的一部分 -- 执行父进程对应的磁盘代码中的一部分
• 想让子进程执行一个全新的程序 -- 让紫禁城想办法，家在磁盘上指定的程序，执行新程序的代码和数据

4.2 替换原理

        就是将指定程序的代码和数据加载带指定的位置，进程替换时并没有创建新的进程。在子进程中调用execl函数并不会影响父进程的执行(进程具有独立性)。OS感觉到替换后，则进行写时拷贝，重新分配内存--子进程通过页表重新映射到新的内存。

4.3 替换函数

#include <unistd.h>`

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

参数：path：路径

            arg：在命令行怎么执行就怎么传参

...：可变参数列表

返回值：执行失败返回-1，并继续执行源代码，成功不会返回值。

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

p：代表的就是如何找程序的功能，带p字符的函数，不用告诉我替换程序的路径，只需要知道时谁，会自动在环境变量PATH中进行可执行程序的查找。

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

int execv(const char *path, char *const argv[]);
v：vector，可以将所有的可执行参数，放入到数组(必须以空作为结束)中，不用可变参数传参

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

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]); -- 允许自定义环境变量

所有的execl* 系列的接口都必须以NULL结尾 

下面为各个接口的演示：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>int main()
{// 用我们的程序将别人的程序执行起来// .c -> exe -> load -> process -> 运行 -> 执行我们现在所写的代码printf("process is running...\n");// 只要是个函数，掉用就有可能失败 就是没有替换成功 继续执行下面的原代码// 只有错误时会返回，返回值为-1execl("/usr/bin/ls"/*要执行哪个程序*/, "ls","-a", "-l", "--color=auto", NULL/*你想怎么执行*/);  // 所有的execl* 系列的接口都必须以NULL结尾printf("execl\n");// 为何下面的printf没有执行呢？ printf是在execl之后的，execl执行完毕后，代码已经完全被替换 开始新的程序的代码了printf("process running done...\n");return 0;
}

 这个代码使用execl接口将我们的程序替换为了命令行命令，ls -a -l，结果如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>int main(int argc, char *argv[])
{printf("process is running\n!");pid_t id = fork();assert(id!=-1);if(id == 0){sleep(1);execlp("ls", "ls","-a", "-l", NULL);printf("原子进程!\n");exit(10);}// 下面为父进程的代码，子进程的替换不会影响父进程的代码int status = 0;int ret = waitpid(id, &status, 0);if(ret > 0) printf("wait success: exit code:%d, sig:%d\n", (status>>8) & 0xFF, status & 0x7F);return 0;
}

 有这段代码也可以看出，子进程在进行程序替换时，是不会影响父进程的

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>int main(int argc, char *argv[])
{printf("process is running\n!");pid_t id = fork();assert(id!=-1);if(id == 0){sleep(1);char *arv_[] = { "ls","-a", "-l", NULL };execv("/usr/bin/ls", arv_);exit(10);}// 下面为父进程的代码，子进程的替换不会影响父进程的代码int status = 0;int ret = waitpid(id, &status, 0);if(ret > 0) printf("wait success: exit code:%d, sig:%d\n", (status>>8) & 0xFF, status & 0x7F);return 0;
}

其他几个与上面的类似，这里就不一一列举了。除了可以替换系统命令，还可以将程序替换为自己的程序，下面用一个接口execvp来演示。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>int main(int argc, char *argv[])
{printf("process is running\n!");pid_t id = fork();assert(id!=-1);if(id == 0){sleep(1);char *arv_[] = { "mycpp", NULL };execvp("./mybin", arv_);exit(10);}// 下面为父进程的代码，子进程的替换不会影响父进程的代码int status = 0;int ret = waitpid(id, &status, 0);if(ret > 0) printf("wait success: exit code:%d, sig:%d\n", (status>>8) & 0xFF, status & 0x7F);return 0;
}