Linux进程控制——进程创建(fork)、进程终止(exit\_exit)、进程等待(wait\waitpid)和进程替换(exec函数)

矫情吗；* 2022-11-12 04:25 176阅读 0赞

![8bc1261d3042c0b10fbe9135243d7c73.png][]

# 一、进程创建 #

## 1.1 fork函数初识 ##

对于fork函数的参数和返回值可以阅读本篇博客  
[Linux进程编程实践1——进程的基本概念、fork创建进程][Linux_1_fork]  
这里直接上图了解fork的头文件和参数  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### Q1:为什么父进程返回子进程id，而子进程返回0？ ###

现实生活中，任何孩子都知道自己的父亲(排除特殊情况)，而父亲却可能有多个孩子，因此就需要一个代号来标识每一个孩子，简单来说就是父亲：孩子=1：n  
因此，对于操作系统来说，父进程有多个子进程，需要返回子进程的pid来调度每个子进程，而任何子进程都知道自己的父进程，因此返回0。

对于fork函数创建子进程，简单来说就是**创建子进程都是以父进程为模板的**，那么进程调用fork后，内核做了什么呢？

*  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

用一张图来演示  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且他们都会运行到相同的地方，如上图所示，当父进程运行到fork时，会创建一个一模一样的子进程，子进程会接着父进程运行到的地方继续向下执行也就是after，而父进程也会运行after！

## 1.2 写时拷贝 ##

通常，**父子进程共享代码，但是数据各自私有一份。**  
对于一个程序来说，由两部分构成代码+数据

### Q2:为什么代码共享？ ###

程序种的代码运行中不可被修改，如果每个子进程都有一份，势必造成空间的浪费，因此所有代码都是共享的，在一定程度上节省了空间。

### Q3:为什么数据私有？ ###

进程之间具有独立性，当数据过多时，并不是所有的数据都会立马使用，更不会将所有数据拷贝。当一个进程需要立马独立时，如果系统将数据全部拷贝，把本来可以在后面拷贝或者不拷贝的都拷贝了，会造成实间和空间的浪费！

解释了上面两个原因后，可以知道，**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。** 如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
在修改内容前，子进程以父进程为模板，父子进程页表种的虚拟地址对应的物理地址时一样的，且系统会将页表项置为只读状态，一旦发生内容修改，即子进程需要写入时，操作系统就会报错，以写时拷贝的方式为子进程的页表项重新开辟一块物理空间，并将内容修改，这就是写时拷贝。  
**优点：**  
节省空间和实间！

## 1.3 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。

## 1.4 fork调用失败的原因 ##

*  系统中没有太多的进程
 *  实际用户的进程数超过了限制

# 二、进程终止 #

## 2.1 进程退出场景 ##

一个进程退出的三种情况可以分为以下三种：

*  `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

#include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    
    int main()
    {
        
      printf("hello world\n");
      return 0;
    }

![在这里插入图片描述][20210318104601783.png]

1.  调用exit
2.  \_exit

异常退出：

*  ctrl + c, 信号终止

## 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。

## 2.3 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

![在这里插入图片描述][20210318144419274.png]

## 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。

# 三、进程等待 #

## 3.1 进程等待的必要性 ##

[Linux进程编程实践2——进程状态、模拟实现僵尸进程和孤儿进程][Linux_2]

*  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

简单来说，因为父进程很容易对子进程进行管理(垃圾回收)。处理业务需要让父进程帮我们拿到子进程的执行结果。

## 3.2 进程等待的方法 ##

### <1> wait方法 ###

`#include<sys/types.h> //头文件`  
`#include<sys/wait.h> //头文件`  
`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NULL

#include<stdlib.h>
    #include<unistd.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/wait.h>
    #include<iostream>
    using namespace std;
    
    int main()
    {
        
      pid_t id =fork();
    
      if(id < 0)
      {
        
        cout<<"fork error"<<endl;;
        return 1;
      }
    
      if(id == 0)
      {
        
        int count = 0;
        while(1)
        {
        
          sleep(1);
          cout<<"child.........."<<endl;
          if(count >= 5)
          {
        
            break;
          }
          count++;
        }
        exit(0);
      }
      //父进程
      if(id > 0)
      {
        
        cout<<"father...."<<endl;
        wait(NULL);//父进程阻塞等待，等待子进程退出后，父进程退出
        cout<<"after father...."<<endl;
      }
      return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

### <2> waippid方法 ###

`pid_t waippid(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；

我们不关心status和options，将其设为NULL和0，只观察返回值

#include<stdlib.h>
    #include<unistd.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/wait.h>
    #include<iostream>
    using namespace std;
    
    int main()
    {
        
      pid_t id =fork();
    
      if(id < 0)
      {
        
        cout<<"fork error"<<endl;;
        return 1;
      }
    
      if(id == 0)
      {
        
        int count = 1;
        while(count < 20)
        {
        
          cout<<"child is running...."<<endl;
          ++count;
        }
    
      }
      //父进程
      if(id > 0)
      {
        
        cout<<"father...."<<endl;
        int ret = waitpid(id,NULL,0);
        if(ret == id)
        {
        
          cout<<"等待成功"<<endl;
        }
        else
        {
        
          cout<<"等待失败"<<endl;
        }
        cout<<"after father...."<<endl;
      }
      return 0;
    }

![2550027e472b6c1505952001fa716606.png][])

首先了解参数：  
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。

其次了解获取子进程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，可以当作位图来待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

![d3aa85053b884b6f3672bbd42d07667e.png][]

如上图所示，如果进程处于正常状态，**高8位是进程的退出状态，低8位全0表示进程正常退出**

#include<iostream>
    #include<stdio.h>
    #include<sys/wait.h>
    #include<unistd.h>
    #include<stdlib.h>
    using namespace std;
    
    int main()
    {
        
      pid_t id =fork();
      if(id < 0)
      {
        
        perror("fork error");
        exit(1);
      }
      
      if(id == 0)
      {
        
        sleep(10);
        exit(10);
      }
    
      if(id > 0)
      {
        
        int st;
        int ret = waitpid(id, &st,0);
        if(ret > 0 && (st & 0x7f) == 0)
        {
        
          cout<<"child exit code: "<<((st >> 8)&0xFF)<<endl;
        }
        else if(ret > 0)
        {
        
          cout<<"sig code: "<<(st & 0x7F)<<endl;
        }
      }
        
    
      return 0;
    }

![be72d218789b63b952c591c094c490ca.png][]

如果进程被信号所杀，只关心第7位的core dump标志位

#include<iostream>
    #include<stdio.h>
    #include<sys/wait.h>
    #include<unistd.h>
    #include<stdlib.h>
    using namespace std;
    
    int main()
    {
        
      pid_t id =fork();
      if(id < 0)
      {
        
        perror("fork error");
        exit(1);
      }
      
      if(id == 0)
      {
        
        int d = 1/0;
        exit(10);
      }
    
      if(id > 0)
      {
        
        int st;
        int ret = waitpid(id, &st,0);
        if(ret > 0 && (st & 0x7f) == 0)
        {
        
          cout<<"child exit code: "<<((st >> 8)&0xFF)<<endl;
        }
        else if(ret > 0)
        {
        
          cout<<"sig code: "<<(st & 0x7F)<<endl;
        }
      }
        
    
      return 0;
    }

![a9d8605906490062807e984c73bf6763.png][]

对于进程的以上两种状态操作起来较为复杂，因此在库函数中使用宏函数封装好了这两种状态，对于进程的status（重点）:

>  *  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）
>     
>     `WIFEXITED(status) == !(status & 0x7F)`
>  *  WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
>     
>     `WEXITSTATUS(status) == (status >> 8) & 0xFF`

options:

> 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。

1. 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

2. 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。

3. 如果不存在该子进程，则立即出错返回

### <3> 进程的阻塞与非阻塞等待方式 ###

1.  进程的阻塞等待方式,这种方式就是父进程一直等待子进程退出后才继续运行后续代码，子进程不退出，父进程就一直处于阻塞状态

#include<iostream>
    #include<stdio.h>
    #include<sys/wait.h>
    #include<unistd.h>
    #include<stdlib.h>
    using namespace std;
    
    int main()
    {
        
      pid_t id =fork();
      if(id < 0)
      {
        
        perror("fork error");
        exit(1);
      }
      
      if(id == 0)
      {
        
        cout<<"child is running..."<<endl;
        sleep(10);
        exit(10);
      }
    
      if(id > 0)
      {
        
        int status=0;
        pid_t ret = waitpid(-1, &status,0);
        if(ret == id && WIFEXITED(status))
        {
        
          cout<<"wait child 10s success, child exit code: "<<WEXITSTATUS(status)<<endl;
        }
        else
        {
        
          cout<<"wait child failed"<<endl;
        }
      }
        
    
      return 0;
    }

![b2300f308bb553683443e53faa66bd69.png][]

1.  进程的非阻塞等待方式，这种方式则是让父进程不断访问子进程是否退出，直到子进程退出，父进程才执行后续代码，需要使用options选项
    
        #include<iostream>
        #include<stdio.h>
        #include<sys/wait.h>
        #include<unistd.h>
        #include<stdlib.h>
        using namespace std;
        
        int main()
        {
              
          pid_t id =fork();
          if(id < 0)
          {
              
            perror("fork error");
            exit(1);
          }
          
          if(id == 0)
          {
              
            cout<<"child is running..."<<endl;
            sleep(10);
            exit(10);
          }
        
          if(id > 0)
          {
              
            int status=0;
            pid_t ret =0;
            do
            {
              
              ret = waitpid(-1, &status,WNOHANG);
              if(ret ==0 )
              {
              
                cout<<"child is running"<<endl;
              }
              sleep(1);
            }while(ret == 0);
        
            if(WIFEXITED(status) && ret == id)
            {
              
              cout<<"wait child 10s success, child return code:"<<WEXITSTATUS(status)<<endl;
            }
            else
            {
              
              cout<<"wait child failed,"<<endl;
              return 1;
            }
          }
            
        
          return 0;
        }
    
    ![391061970fdae4a32ab011b87dc40f5b.png][]

# 四、进程程序替换 #

## 4.1 替换函数 ##

有六种以exe开头的函数，统称exec函数：

#include <unistd.h>	//头文件
    
    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 arv[]);
    int execvp(const char *file, char *const arv[]);

以上五个函数均调用的是下面的系统函数

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

![949e045a98848fe7a6a406fe7d8843e4.png][]

## 4.2 命名理解 ##

这些函数后面的字母分别表示以下含义：

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

## 4.3 函数解释与实例 ##

#include<unistd.h>
    
    int main()
    {
        
      execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);
    
      //带p的，可以使用环境变量无需写路径
      execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);
    
      //execv需要讲参数放入到列表当中
      char *const argv[] = {
        "ls","-a","-l",NULL};
      execv("/usr/bin/ls",argv);
      //带p的无需写全路径，可以使用环境变量
      execvp("ls",argv);
    
    
      return 0;
    }

![07086443a296974f607481c86ff722af.png][]

对于环境变量我们可以自己定义，也可以调用系统变量

注意：

### <1> 函数如果调用出错返回-1，且顺序执行后续代码 ###

![180fe76a450f244f732f1c5fc41089eb.png][]

### <2> 函数如果调用成功则加载新的程序从启动码开始执行，不再返回，且没有返回值 ###

#include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
        
      printf("begin......\n");
      char *env[] ={
        
        "myenv=you_can_see_me",
        NULL
      };
      execle("./mycmd", "./mycmd",NULL, env);
      printf("after....\n");
      return 0;
    }
    [leon@VM-0-2-centos Process_Control]$ cat mycmd.c 
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    int main()
    {
        
      printf("myenv:%s\n", getenv("myenv"));
      return 0;
    }

![0d08194174364100eb9f3c05b36e3978.png][]

[8bc1261d3042c0b10fbe9135243d7c73.png]: /images/20221022/119df7bc49d349aeb6c29ea15d82d7b4.png
[Linux_1_fork]: https://blog.csdn.net/qq_40076022/article/details/113867381
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/c8dcc3365ef84f7aaa9505d8ac018f86.png
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