【Linux】进程控制：理解什么是进程创建，进程终止，进程等待 | 进程替换

女爷i 2024-04-22 12:14 64阅读 0赞

## 一.进程创建 ##

fork函数创建进程，新进程为子进程，原进程为父进程；

fork函数包含在头文件 <unistd.h>

> 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

关于fork函数的返回值：

*  返回0给子进程
 *  返回子进程的PID给父进程
 *  创建失败，返回值 < 0

子进程和父进程共享fork函数之后的代码

![8f664db55b674931aeaec6c1a1b8cfe2.png][]

实例演示：

int main()
      {
          printf("before: pid: %d\n",getpid());
          pid_t id=fork();
          printf("after:\n");
          if(id==0)
          {
              //子进程
              printf("我是子进程  pid: %d  ppid: %d\n",getpid(),getppid());
          }
          else if(id>0)
          {
              //父进程
              printf("我是父进程  pid:%d   ppid: %d\n",getpid(),getppid());                                                       
          }
          else
          {
              printf("出错\n");
          }
      
          return 0;
      }

![34edcfe7e2d847afb2d86bee3b245597.png][]

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## 二.进程终止 ##

进程退出时的三种情况：

*  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：异常退出本质是收到了对应的信号

进程退出的常用方法

*  return
 *  exit
 *  \_exit

那么谁会关心一个进程的运行情况呢？

答案是父进程。子进程在退出时，会成为僵尸进程，需要父进程的回收。

那么父进程期望获得子进程退出时得哪些信息呢？

*  子进程是否是异常退出
 *  没有异常；如果有，可以通过查看错误码来查看错误信息

可以通过查看退出码，来知晓进程的退出情况

可以用以下命令查看最后一次进程退出的退出码

echo  $？

我们可以打印一下，每个错误码对应着什么错误信息

int main()
    {
         for(int i=0;i<100;i++)
         {
             printf("%d  : %s\n",i,strerror(i));
         }
      
         return 0;                                                                                                                }

![61e3505584cb4a778a007bc8b02f23b0.png][]

可以发现，错误码为0时，代表代码正常执行完毕，所以我们平时主函数里的return 都是return 0

当然我们也可以自己设计一套错误码体系。

### exit和\_exit ###

exit 和 \_exit 都可以退出进程，但是exit在退出进程前会做其它工作：

*  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

而 \_exit 是直接退出进程，所以缓冲区绝对不在内核。

所以一般推荐使用 exit 函数来退出进程。

![38bf7c914f3b483db90c62fc02881b04.png][]

### 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。

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## 三.进程等待 ##

### 进程等待是什么？ ###

通过系统调用wait/waitpid，来进行对子进程进行状态检测与回收的功能!

### 为什么要进程等待？ ###

我们知道子进程在退出时会变成僵尸进程：

*  僵尸进程无法被杀死，需要通过进程等待来杀掉它，进而解决内存泄漏问题---必须解决的
 *  我们要通过进程等待，获得子进程的退出情况---知道我布置给子进程的任务，它完成的怎么样了---可能关心，也可能不关心---可选的

### 怎么等待？ ###

父进程通过调用 wait/waitpid 进行僵尸进程的回收问题!

### wait函数 ###

![7709c4277da54b78859b6a986c2e374d.png][]

查看 man 手册 ，wait 函数所在的头文件是 <sys/types.h> 和 <sys/wait.h>

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.

wait等待的是任意一个子进程

实例：

#include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h> 
    
    void Run()
    {
        int cnt=5;
        while(cnt)
        {
            printf("我是一个子进程 pid: %d  ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            cnt--;
            sleep(1);
        }
    }
    
    int main()
    {
         pid_t id=fork();
         if(id==0)
         {
             //子进程
             Run();
             exit(0);
         }
         else if(id>0)
         {
             //父进程                                                                                           
             int cnt=10;
             while(cnt)
             {
                printf("我是一个父进程 pid: %d  ppid: %d\n",getpid(),getppid());
                cnt--;
                sleep(1);
             }
     
             pid_t ret=wait(NULL);
         }
         else 
             printf("出错\n");
       
         return 0;
    }

可以用下面的指令查看运行时进程的变化

while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep testwait | grep -v grep;sleep 1;echo "------------------------"; done

### waitpid函数 ###

![006a0d7ea6394de188fd25abddf0a100.png][]

waitpid 函数一共有三个参数

pid：  
 pid=-1，等待任何一个子进程。与wait等效。  
pid>0，等待其进程ID与pid相等的子进程。  
status:  
 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:  
 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。

pid很容易理解，这里重点讲讲 status。

status 是一个输出型参数，它的类型是 int ，说明有32个比特位

>  *  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，它有32个比特位，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）：
> 
> ![425bad1f40d6446bb8daab81998695d5.png][]
> 
> 低7位用来表示终止信号
> 
> 第8位表示 core dump标志
> 
> 第9位到第15表示退出状态，也就是说正常退出为0，异常退出为非0
> 
> 所以除了上面的使用宏函数来访问status的退出码什么的还可以用下列方式访问 status
> 
> 获取终止信号：status&0x7f 
> 
> 获取退出码： (status>>8)&0xff

我们为什么要传一个输出型参数呢？可不可以使用全局变量代替这个输出型参数 status？

答案是不可以！因为进程之间具有独立性。

**等待的原理**：

其实子进程在退出的时候，会把退出码，终止信号写入到PCB的 exit\_code 和 exit\_signal 变量中，等待进程时，也就是从子进程的PCB中读取这两个变量的值，并写入到输出型变量 status 中，这样父进程就可以知道子进程的退出信息了。

int exit_code;
    int exit_signal;

### 阻塞等待 ###

waitpid的第三个参数 options 为0时，表示当子进程一直没有退出的时候，父进程处于阻塞等待。

什么是阻塞等待？

即在子进程退出前，父进程什么也不做，一直在等着子进程退出，此时父进程处于阻塞状态。

### 非阻塞轮询 ###

当waitpid的第三个参数 options 为 WNOHANG ，父进程以非阻塞轮询的方式等待子进程。

什么是非阻塞轮询？

即父进程会检查一次看子进程有没有退出，没有则返回0，此时父进程可以做一些自己的事，而不是一味的等待子进程的退出，在子进程退出前循环以上的过程，直到子进程退出，返回 >0 的一个数，返回负数则表示等待失败。

实例：

int main()
    {
    	pid_t id = fork();
    	if (id == 0)
    	{
    		//子进程
    		int cnt = 5;
    		while (cnt)
    		{
    			printf("我是一个子进程  pid: %d  ppid: %d\n", getpid(), getppid());
    			cnt--;
    			sleep(1);
    		}
    	}
    	else if (id > 0)
    	{
    		//父进程
    		int status = 0;
    		while (1)  //轮询
    		{
    			pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);  //非阻塞
    			if (ret > 0)
    			{
    				printf("子进程退出，等待成功\n");
    				break;
    			}
    			else if (ret == 0)
    			{
    				printf("你先等等，子进程还没有退出....\n");
    				sleep(1);
    			}
    			else
    			{
    				printf("等待失败\n");
    				break;
    			}
    		}
    
    		return 0;
    	}
    }

![7c93b2f0550e4453b90fe60458e365d9.png][]

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## 四.进程替换 ##

### 单进程的进程替换 ###

在理解什么是进程替换之前，我们先来看看进程替换怎么使用，下面是操作系统提供的进程替换的一些函数

![a4fd3e9cca6b4da99c700e3a16d9230e.png][]

*  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。

参数所表达的意思：

*  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

![440965058713470cbb484984817d8652.png][]

以上的这些函数中，只有execve是系统调用，其它函数在底层都会调用这个函数。

![4a5002eee8654927a8a1cc329d7acc73.png][]

对于像execl 和 execlp 有可变参数的函数，其实它们的使用方法很简单，从第二个参数开始，参数的写法就很我们在命令行中的一样，且最后一个参数是NULL。

可以想想，当我们要执行一个程序时，第一件事是什么？

第一件事就是要先找到这个程序，找到程序后做什么？

第二件事就是你得知道要怎么执行这个程序。

这样就能更好的理解这些函数为什么要这么用了

例如命令行中输入 ls -l -a （以单进程的进程替换来演示）

int main()
    {
         execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);                                    
      
         return 0;
    }

![f0d7aead5316470e8bcb577f9e5b652d.png][]

下面是其它进程替换函数的一些用法

int main()
    {
         extern char**environ;
         execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);
      
         char*const myargv[]={"ls","-l","-a",NULL};
         execv("/usr/bin/ls",myargv);   //v表示数组
         execvp("ls",myargv);         //有p的可以省去路径                                
         execvpe("ls",myargv,environ);   //有e的可以自己控制环境变量，且采用的策略是覆盖而不是追加
        
         return 0;
    }

### 进程替换的原理 ###

先来看这样一段代码：

int main()
    {
        printf("before:\n");
        execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);
        printf("after:\n");
    
        return 0;
    }

打印结果会是什么？

![c8aa58c8f1b941cc999703e0903b6ba3.png][] 发现只打印了before ，after呢？也就是 execl 前面的代码会被执行，后面的代码不会被执行，这是为什么？

**进程替换的原理**：

进程在替换时，只会替换掉物理内存中原来程序的代码和数据，其它的并不会动，且调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。

所以execl函数执行完后，原来的代码和数据就被替换了，物理内存中是全新的代码和数据，也就不是原来的代码，所以execl后的代码不会被执行，除非execl函数调用失败。

那么环境变量也是数据，它会被替换吗？

不会！！因为创建子进程的时候，环境变量已经被子进程继承下去了，所以进程替换不会替换环境变量。

![cbacb6a6ff804a4a87016c23de5adebe.png][]

### 多进程的进程替换 ###

前面的例子是单进程的执行系统命令的进程替换，接下来我们实现一个多进程的执行自己命令的进程替换。

int main()
    {
    
    
        pid_t id=fork();
        if(id==0)
        {
            execl("./other1exe","./other1exe",NULL);
        }
        else if(id>0)
        {
            wait(NULL);
            execl("./other2exe","./other2exe",NULL);
        }
    
    
        return 0;
    }

#### 多个目标的makefile文件的写法 ####

对于有多个目标的makefile文件，可以这样写，就可以一次生成所需要的全部文件。

.PHONY:all 
    all: other1exe other2exe test 
    other1exe:other1exe.cpp 
    	g++ -o $@ $^ -std=c++11
    
    other2exe:other2exe.cpp 
    	g++ -o $@ $^ -std=c++11
    test:test.c
    	gcc -o $@ $^ -std=c99
    .PHONY:clean
    clean:
    	rm -rf test  other1exe other2exe

定义一个伪目标 all ，all 的依赖文件就是你所需要生成的文件。

打印结果：

![077a4fb3a3944a778246e2fd094cb095.png][]

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## 五.制作一个自己的shell ##

有了以上的这些知识后，我们就可以自己制作一个简易的myshell了，使它也能像shell那么使用。

这里要特别注意环境变量的维护！

> 因为在linux中，环境变量的内容是在一个区域放着的，而环境变量表 env 中存的是环境变量的地址，这些地址指向所对应的环境变量；
> 
> 而我们putenv一个环境变量时，其实是在环境变量表中找一个未使用的下标，把要导入的环境变量的地址放进去，这个地址就指向导入的环境变量的内容。
> 
> 所以当我们要put环境变量时，只是将它的地址填入了环境变量表中，而环境变量的内容是由我们自己输入的，在我们自己创建的命令行参数表中，而这个命令行参数表是会变的，但环境变量表依然指向不变，但是其实所指向的内容已经变了，所以就会导致导入环境变量不成功。
> 
> 为解决上述问题，我们需要自己创建空间，用来专门维护环境变量。

![292f96760c3644569ce6666a79c61957.png][]

#define SIZE 1024
    #define ARGV_SIZE 32
    #define DELIM " \t"
    #define EXIT_CODE -1
    #define NONE -1
    #define IN_RDIR 0
    #define OUT_RDIR 1
    #define APPEND_RDIR 2
    
    int quit=0;
    int lastcode=0;
    char pwd[SIZE];
    char commandline[SIZE];
    char *argv[ARGV_SIZE];
    char *rdirfilename=NULL;
    int rdir=NONE;
    
    
    //维护环境变量表
    extern char**environ;
    char myenv[SIZE];
    
    const char*getusername()   //获取用户名
    {
        return getenv("USER");
    }
    
    
    const char* gethostname()   //获取主机名
    {
        return getenv("HOSTNAME");
    }
    
    void getpwd()   //获取当前路径 
    {
        getcwd(pwd,sizeof(pwd));  getcwd是系统调用接口
    }
    
    void interate(char *cline,int size)  //交互
    {
        getpwd();
        printf("[%s@%s %s]# ",getusername(),gethostname(),pwd);
        char*s=fgets(cline,size,stdin);
        assert(s);   //检查是否输入成功
        (void)s;  //一些编译器会对未使用的变量报警告，这里防止这个情况发生
        //abcd\n\0
        cline[strlen(cline)-1]='\0';  //将最后读入的回车变成 '\0' ，使其符合C形式的字符串
        
    }
    
    
    int separationline(char *cline,char*_argv[])   //分割字符串
    {
        int i=0;
        _argv[i++]=strtok(cline,DELIM);   //注意strtok函数的用法
        while(_argv[i++]=strtok(NULL,DELIM));
        
    
        return i-1;  //返回命令行参数表的大小
    }
    
    void normalcom(int _argc,char *_argv[])   //普通命令
    {
        pid_t id=fork();
        if(id==0)
        {
            execvp(_argv[0],_argv);   //通过进程替换来执行普通命令
            exit(EXIT_CODE);
        }
        else if(id>0)
        {
            int status =0;
            pid_t rid=waitpid(id,&status,0);  //等待回收子进程
            if(rid==id)
            {
                lastcode=WEXITSTATUS(status);  //设置错误码
    
            }
        }
        else 
        {
            perror("fork");
            return ;
        }
    }
    
    int buildcom(int _argc,char*_argv[])  //内建命令
    {
        //cd  export  echo
        if(_argc==2&&strcmp(_argv[0],"cd")==0)
        {
            chdir(_argv[1]);
            getpwd();
         sprintf(getenv("PWD"),"%s",pwd);
         return 1;
    
        }
        else if(_argc==2&&strcmp(_argv[0],"export")==0)
        {
            strcpy(myenv,_argv[1]);
            putenv(myenv);
            return 1;
        }
        else if(_argc==2&&strcmp(_argv[0],"echo")==0)
        {
            if(strcmp(_argv[1],"$?")==0)   //打印最后一次程序退出的错误码
            {
                printf("%d\n",lastcode);
                lastcode=0;
            }
            else if(*_argv[1]=='$')  //打印环境变量
            {
                char*val=getenv(_argv[1]+1);
                if(val) printf("%s\n",val);
    
            }
            else   //普通打印
            {
                printf("%s\n",_argv[1]);
            }
            return 1;
        }
    
        if(strcmp(_argv[0],"ls")==0)   //特殊处理ls命令，为文件带上颜色，例如目录是蓝色的
        {
            _argv[_argc++]="--color";
            _argv[_argc]=NULL;
        }
    
        return 0;
    }
    
    int main()
    {
        while(!quit)
        {
            //实现交互
            interate(commandline,sizeof(commandline));
    
    
            //分割命令
            int argc=separationline(commandline,argv);
            if(argc==0)
                continue;
            //执行命令
            
            //内建命令
            int n=buildcom(argc,argv);
            
            //普通命令
           if(!n) normalcom(argc,argv);
        }
        return 0;
    }

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> **??本篇文章到此就结束了， 若有错误或是建议的话，欢迎小伙伴们指出；?️?**
> 
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> 
> **??谢谢你的阅读。??**

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