Linux篇: 进程控制

一、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。

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。

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。
fork之后，父子进程代码共享。例如：

这里可以看到，Before只输出了一次，而After输出了两次。其中，Before是由父进程打印的，而调用fork函数之后打印的两个After，则分别由父进程和子进程两个进程执行。也就是说，fork之前父进程独立执行，而fork之后父子两个执行流分别执行。

注意： fork之后，父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定，而一般父进程是先退出的，因为父进程要等待子进程(此内容会在进程等待章节讲)。

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。

这是为什么呢？

一个父进程可以创建多个子进程(1:n)，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，子进程肯定是被创建出来的，有子进程一定就会有父进程；而对于父进程来说，子进程是需要被标识的，因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的，父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程指派任务并且可以用PID和指令去查看进程的信息。

为什么fork函数有两个返回值？

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(PCB)、创建子进程的进程地址空间(struct files_struct)、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双链表当中，此时子进程便创建完毕了。所以说子进程也用父进程的代码，return不也是代码吗，所以说父子进程都要return，所以有两个返回值。

1.3 写时拷贝(和C++中的深拷贝类似)

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。

为什么数据要进行写时拷贝？

 进程具有独立性。多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程。

为什么不在创建子进程的时候就进行将父进程的所有数据进行写时拷贝？

子进程也可能使用父进程的数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝，我们应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间。

代码会不会进行写时拷贝？

一般情况下是不会的，在进行进程替换的时候，则需要进行代码的写时拷贝。

fork常规用法

  1. 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。
  2. 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。

fork调用失败的原因

fork函数创建子进程也可能会失败，有以下两种情况：

  1. 系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。
  2. 实际用户的进程数超过了限制，子进程创建失败

二、进程终止

2.1 进程退出场景

进程退出只有三种情况：

  1. 代码运行完毕，结果正确
  2. 代码运行完毕，结果不正确
  3. 代码异常终止（进程崩溃）

2.2 进程退出码

我们都知道main函数是代码的入口，但实际上main函数只是用户级别代码的入口，main函数也是被其他函数调用的，例如在VS2013当中main函数就是被一个名为__tmainCRTStartup的函数所调用，而__tmainCRTStartup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就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回，我们一般以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。

当我们的代码运行起来就变成了进程，当进程结束后main函数的返回值实际上就是该进程的进程退出码，我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息。
例如，对于下面这个简单的代码：

代码运行结束后，我们可以用下列指令查看该进程的进程退出码。

echo $?

 

为什么以0表示代码执行成功，以非0表示代码执行错误？

 因为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。这样做利于区分。

C语言当中的strerror函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：

实际上Linux中的ls、pwd等命令都是可执行程序，使用这些命令后我们也可以查看其对应的退出码。
可以看到，这些命令成功执行后，其退出码也是0。

但是命令执行错误后，其退出码就是非0的数字，该数字具体代表某一错误信息。

注意： 退出码都有对应的字符串含义，帮助用户确认执行失败的原因，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字符串含义可能不同。 

2.3 进程常见退出方法

1)正常终止（可以通过 1. 从main返回 2. 调用exit 3. _exit 异常退出： echo $? 查看进程退出码）

2) 异常中止: ctrl + c，信号终止。

2.4 进程正常退出

2.4.1 return退出

在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。

例如，在main函数最后使用return退出进程。

2.4.2 exit函数

使用exit函数退出进程也是我们常用的方法，exit函数可以在代码中的任何地方退出进程，并且exit函数在退出进程前会做一系列工作：

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函数终止进程。
例如，以下代码中exit终止进程前会将该进程的缓冲区当中的数据输出。

2.4.3 _exit函数

使用_exit函数退出进程的方法我们并不经常使用，_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刷新，这和实现有关系，exit是库函数，_exit是系统调用，exit的实现是封装的_exit系统调用但包含了会刷新一下缓冲区，而_exit函数是系统调用，并没有缓冲区的概念，自然就不会刷新。刷新和fflush(stdout)或\n一个概念。

例如，以下代码中使用_exit终止进程，则缓冲区当中的数据将不会被输出。

2.4.4 return、exit和_exit之间的区别与联系

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。

执行return num等同于执行exit(num)，因为调用main函数运行结束后，会将main函数的返回值当做exit的参数来调用exit函数。
在这里插入图片描述
使用exit函数退出进程前，exit函数会先执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再调用_exit函数终止进程。

2.4进程异常退出

1) 向进程发生信号导致进程异常退出。例如，在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出，或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。

2) 代码错误导致进程运行时异常退出。例如，代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出，或是出现除0的情况使得进程运行时异常退出等。

三、进程等待

3.1 进程等待的必要性

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 获取子进程status

下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。
如果对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status不能简单的当作整型来看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具体细节如下（只研究status低16比特位）：

在status的低16比特位当中，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，而第8位比特位是core dump标志。

我们通过一系列位操作，就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号

     记不住也是没关系的，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。

exitNormal = WIFEXITED(status);  //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  //获取退出码

当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。

3.3 进程等待的方法

3.3.1 wait函数

原型：pid_t wait(int* status);

作用：等待任意子进程。

返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。

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。

例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0){
		//child
		int count = 10;
		while(count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0){
		//wait success
		printf("wait child success...\n");
		if(WIFEXITED(status)){
			//exit normal
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

 我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：

[cl@VM-0-15-centos procWait]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。

3.3.2 waitpid函数

函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

返回值：
1、等待成功返回被等待进程的pid。
2、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。
3、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：
1、pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。
2、status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
3、options：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。

例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child          
		int count = 10;
		while (count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father           
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if (ret >= 0){
		//wait success                    
		printf("wait child success...\n");
		if (WIFEXITED(status)){
			//exit normal                                 
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
		else{
			//signal killed                              
			printf("killed by siganl %d\n", status & 0x7F);
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。

注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

3.3.3 wait VS waitpid

wait 和 waitpid 都是用于等待子进程结束并获取子进程状态的系统调用，但在使用上有一些区别：

  1. wait: wait 系统调用会使当前进程阻塞，直到任意一个子进程结束为止。它会暂停当前进程的执行，直到有子进程结束，然后返回结束子进程的进程号。如果没有子进程退出，wait 会一直阻塞等待。

  2. waitpid: waitpid 允许指定等待的子进程的进程号，通过传递不同的参数可以实现不同的等待方式。可以通过指定 pid、options 参数来控制等待的子进程，如等待特定进程、等待非阻塞状态等。与 wait 不同，waitpid 可以通过传递参数来选择是否阻塞等待子进程结束。

总的来说，wait 和 waitpid 都是用于等待子进程结束的系统调用，而 waitpid 提供了更多的灵活性和控制选项，可以更精确地指定等待的子进程。

四、进程程序替换

4.1 原理

用fork创建子进程后，子进程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），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。

当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？

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？

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，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，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

替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：

4.2.1 execl函数

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

举例：

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

 4.2.2 execlp函数

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

举例：

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

4.2.3 execle函数

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

4.3.4 execv函数

int execv(const char *path, char *const argv[]);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例如，要执行的是ls:

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);

4.3.5 execvp函数

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

例如，要执行的是ls程序：

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

4.3.6 execve函数

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。

char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);

4.3 函数解释

  • 这些函数如果调用成功，则加载指定的程序并从启动代码开始执行，不再返回。
  • 如果调用出错，则返回-1。

也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。

4.4 命名理解

这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：

  • 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。

事实上，只有execve才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的execve，所以execve在man手册的第2节，而其它五个函数在man手册的第3节，也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。

下图为exec系列函数族之间的关系：

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