Linux下进程控制详解
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一、进程创建
1.1 初识fork
在Linux操作系统中存在一个fork()函数，其是系统调用接口，用于创建子进程。
进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核会执行以下工作：
- 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
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
printf("PID:%d PPID:%d\n",getpid(),getppid());
return 0;
}
通过上面的代码运行结果不难看出，通过fork()函数确实可以创建出子进程。在fork函数被调用之前的代码被父进程执行，而fork函数之后的代码则默认情况下父子进程都可以执行，此时父子进程代码数据共享，只有当需要修改时才会发生写时拷贝。
注意: 父子进程的CPU调度顺序是不确定的，具体情况取决于操作系统调度算法的实现。
1.2 函数返回值
返回值：在子进程中返回0，父进程中返回子进程的PID，子进程创建失败返回-1
上面说到父子进程共享数据代码，但是让父子进程去做同样的事情并没有什么意义，这里可以使用if进行分流操作使得父子进程完成不同的工作。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id < 0)
{
printf("fork error!!!\n");
return 0;
}
else if(id == 0)
{
printf("子进程 PID:%d PPID:%d\n",getpid(),getppid());
}
else//id > 0
{
printf("父进程 PID:%d PPID:%d\n",getpid(),getppid());
wait(NULL);
}
return 0;
}
fork函数为什么要给子进程返回0，给父进程返回子进程的PID？
一个父进程可以创建多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程。因此，对于子进程来说，父进程是不需要被标识的；而对于父进程来说，子进程是需要被标识的。并且父进程创建子进程的目的是让其执行某些任务的，父进程必须有子进程的PID才方便对该子进程执行一些操作。
fork函数为什么有两个返回值？
父进程调用fork函数后，为了创建子进程fork函数内部将会进行一系列操作，包括创建子进程的进程控制块、创建子进程的进程地址空间、创建子进程对应的页表等等。子进程创建完毕后，操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表当中，此时子进程便创建完毕了。
但在fork函数内部执行return语句之前，子进程就已经创建完毕了，那么之后的return语句不仅父进程需要执行，子进程也同样需要执行，这就是fork函数有两个返回值的原因。
1.3 写时拷贝技术
这里与进程地址空间有着很大的关联，可以结合博主的《Linux下进程以及相关概念理解》进行学习。
当子进程刚刚被创建时，子进程和父进程的数据和代码是共享的，即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时，才将父进程的数据在内存当中拷贝一份，然后再进行修改。
1.4 fork函数的使用场景
- 一个进程希望复制自己，使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。
1.5 fork函数的失败原因
fork函数创建子进程也可能会失败，有以下两种情况：
1. 系统中已有太多的进程，内存空间不足，导致子进程创建失败。
2. 实际用户的进程数超过了限制，导致子进程创建失败。
二、进程终止
2.1 进程退出场景
进程退出的场景可以被大致分为三种:
- 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（进程崩溃）
前两种都属于正常退出（第二种是代码逻辑错误导致），第三种则是非正常退出
2.2 进程退出码
main函数是代码的入口，但main函数也只是用户级别代码的入口，main函数也是被其他函数调用的。譬如在VS2013中main函数就是被__tmainCRTStartup函数所调用，__tmainCRTStartup函数则是被mainCRTStartup函数调用，而mainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统所调用的，也就是说main函数是间接性被操作系统所调用的。
既然main函数是间接性被操作系统所调用的，那么当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息，而这个所谓的退出信息在Linux中就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回。一般以0表示代码成功执行完毕，以非0表示代码执行过程中出现错误，这就是为什么我们都在main函数的最后返回0的原因。
当进程结束后main函数的返回值实际就是该进程的进程退出码，可以使用echo $?命令查看最后一次退出的进程的退出码。
为什么用0表示执行成功，用非0表示执行失败？
代码执行成功只有一种情况，成功了就是成功了，而代码执行错误却有多种原因，例如内存空间不足、非法访问以及栈溢出等等，我们就可以用这些非0的数字分别表示代码执行错误的原因。退出码都有对应的字符串含义，而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的，不同环境下相同的退出码的含义可能不同。
2.3 进程正常退出方法
2.3.1 exit函数
exit函数是C语言提供的接口，可以在代码中的任何地方退出进程，并且在退出进程前会完成:
- 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函数终止进程。
2.3.2 _exit函数
_exit函数也可以在代码中的任何地方退出进程，但是_exit函数会直接终止进程，并不会在退出进程前会做任何的收尾工作。
2.3.3 return方法
return是一种较为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函数的返回值当做exit的参数来调用exit函数。
return num == exit(num)//在main函数中2.3.4 方法分析对比
- 只有在main函数当中的return才能起到退出进程的作用，子函数当中return不能退出进程，而exit函数和_exit函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用
- 使用exit函数退出进程前，exit函数会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再终止进程，而_exit函数会直接终止进程，不会做任何收尾工作
- exit()是C语言提供的函数，_exit()则是系统调用，在Linux环境中exit()函数底层调用了_exit()函数
2.4 进程异常退出
1. 向进程发送信号导致进程异常退出
如，使用kill -9 PID命令向进程发送9号信号导致进程异常退出、使用Ctrl+C导致进程异常退出
2. 代码错误导致进程运行时异常退出
如，当代码中出现野指针问题或者除0错误等都会导致进程运行时异常退出
三、进程等待
3.1 进程等待的意义
- 子进程退出，父进程若不读取子进程的退出信息，子进程就会变成僵尸进程，进而造成内存泄漏
- 进程一旦变成僵尸进程，那么就算是kill -9命令也无法将其杀死，因为该进程已经死去。可以将其父进程杀死使其变成孤儿进程。
- 父进程需要知道子进程退出状态等信息，以了解派发给子进程的任务是否完成
- 父进程需要通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息
3.2 获取子进程status
wait()和waitpid()函数都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，传入后由操作系统进行填充。若对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。
status是一个整型变量，但应将status变量看作是一个存储信息的位图，status的不同bit位所代表的信息不同，具体细节如下（只讲解status低16个bit位）：
在status的低16bit位中，高8位表示进程的退出状态，即退出码。进程若是被信号所杀，则低7位表示终止信号，此时其退出码就无意义了，所以高8位不使用。而第8位bit位是core dump标志。
exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F; //退出信号下面是操作系统提供的宏:
- WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。
- WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。
- WTERMSIG(status)：用于获得进程终止的信号编号
exitIsNormal = WIFEXITED(status); //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status); //获取退出码
exitSignal = WTERMSIG(status); //用于获得进程终止的信号编号3.3 进程等待方法
3.3.1 wait()方法
函数原型: pid_t wait(int* status);作用：阻塞父进程以等待任一子进程
返回值：等待成功则返回被等待进程的PID，等待失败则返回-1。
参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心其状态可设置为NULL
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)//child
{
for(int i = 0;i < 10;++i){
printf("PID:%d PPID:%d\n",getpid(),getppid());
sleep(1);
}
exit(0);
}
else if(id > 0)//father
{
int status = 0;
pid_t ret = wait(&status);
if(ret > 0)
{
printf("等待成功!\n");
if(WIFEXITED(status)){
printf("子程序正常退出，退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
}
else{
printf("子程序异常退出，终止信号:%d\n",WTERMSIG(status));
}
}
else{
printf("等待失败!\n");
}
}
else{ // fork error
exit(-1);
}
return 0;
}
3.3.2 waitpid()方法
函数原型: pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);返回值：
1、等待成功则返回被等待进程的pid
2、若设置了选项WNOHANG，且调用中的waitpid发现没有已退出的子进程可回收，则返回0
3、若调用中出错，则返回-1，此时errno会被设置成相应的值以指示错误所在
pid参数：
< -1 等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程
-1 等待任一子进程
0 等待进程组ID与当前进程组ID相同的任一子进程
> 0 等待进程ID与pid相同的子进程
options参数：
当设置为WNOHANG时，若等待的子进程没有结束，则waitpid函数直接返回0，不予以等待。若正常结束则返回该子进程的pid。（即不会发生阻塞）
当设置为0时，则会wait()相同，会发生阻塞
status参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL
waitpid(-1, &status, 0) == wait(&status)3.4 多进程创建以及等待的代码模型
同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出，即将子进程的pid存储到数组中。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t ids[10] = {0};
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
pid_t id = fork();
if (id == 0)//child
{
printf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());
sleep(3);
exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
}
else if(id > 0)//father
{
ids[i] = id;
}
else{ //fork error
exit(-1);
}
}
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
if (ret > 0){
printf("wait child success..PID:%d\n", ids[i]);
if (WIFEXITED(status)){
printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
printf("killed by signal %d\n", WTERMSIG(status));
}
}
else{
printf("wait child error\n");
}
}
return 0;
}
3.5 基于非阻塞接口的轮询检测方案
若当子进程未退出时，父进程阻塞等待子进程退出，在等待期间父进程不能做任何事情，这个等待时间是否能利用起来呢？可以，向waitpid()函数的参数potions传入WNOHANG实现非阻塞
方案思想: 父进程每隔一段时间调用一次waitpid()函数，若是等待的子进程未退出，则父进程可以先处理其他事务，过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id == 0)//child
{
for(int i = 0;i < 3; ++i){
printf("child do something...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
sleep(3);
}
exit(0);
}
else if(id > 0)//father
{
while (1)
{
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if (ret > 0)
{
printf("wait child success...\n");
if (WIFEXITED(status)){
printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
printf("killed by signal %d\n", WTERMSIG(status));
}
break;
}
else if (ret == 0){
printf("father do other things...\n");
sleep(1);
}
else{
printf("waitpid error...\n");
break;
}
}
}
else
{
printf("fork error\n");
}
return 0;
}
四、进程程序替换
4.1 替换原理
fork创建子进程后，子进程执行的是和父进程相同的程序（可能执行不同的代码分支），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec函数。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，并从新程序的启动例程开始执行。
进行进程替换时有创建新的进程吗？
没有。进程程序替换之后，该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的PID并没有改变。
子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？
不会。子进程刚被创建时与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时会进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。
4.2 替换函数
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
参数一是要执行程序的路径，参数二是可变参数列表，表示要如何执行该程序（以NULL结尾）
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
参数一是要执行程序的名字(在环境变量PATH中查找)，参数二是可变参数列表，表示要如何执行该程序（以NULL结尾）
execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
参数一是要执行程序的路径，参数二是可变参数列表，表示要如何执行该程序（以NULL结尾），参数三是用户设置的环境变量。
char* const _envp[] = { (char*)"MYNAME=BJY", NULL };
execle("./test", "test", NULL, _envp);int execv(const char *path, char *const argv[]);
参数一是要执行程序的路径，参数二是指针数组，数组当中的内容表示要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。
char *const argvs[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", argvs);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
参数一是要执行程序的名字，参数二是指针数组，数组当中的内容表示要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。
char *const argvs[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", argvs);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
参数一是要执行程序的名字，参数二是指针数组，数组当中的内容表示要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。参数三是用户设置的环境变量。
char *const argvs[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
char* const _envp[] = { (char*)"MYNAME=BJY", NULL };
execvpe("ls", args, _envp);
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);
参数一是要执行程序的路径，参数二是指针数组，数组当中的内容表示要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。参数三是用户设置的环境变量。
该接口是系统调用，上述6个函数底层都调用了这个函数。
char *const argvs[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
char* const _envp[] = { (char*)"MYNAME=BJY", NULL };
execve("/usr/bin/ls", args, _envp);
注意:
上述函数若调用成功，则加载指定的程序并从启动代码处执行，不再返回值。若调用出错，则返回-1。
4.3 命名理解
这七个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀可以用如下方式理解：
- l(list)：表示参数采用列表的形式，一一列出。
- v(vector)：表示参数采用数组的形式。
- p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找。
- e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量。
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