[Linux]：进程(下)

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所属专栏：Linux学习
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1. 进程终止

1.1 进程退出的场景

进程退出只有以下三种情况：

  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）。

1.2 进程退出码

在编程中，我们通常认为main函数是代码的入口，但实际上它只是用户级别代码的入口。main函数是被其他函数间接调用的，例如在VS2013中，main函数由__tmainCRTStartup函数调用，而__tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统调用。所以，main函数是间接性被操作系统所调用。

由于main函数是这样被调用的，当main函数调用结束后，应该给操作系统返回相应的退出信息。这个退出信息以退出码的形式作为main函数的返回值返回。一般情况下，我们以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。这就是为什么我们常在main函数的最后返回0。

比如我们执行以下代码：

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

我们可以通过指令echo $?查看最近一次进程的退出码。

进程正常退出返回0，如果进程不是正常退出就会返回其对应的退出码，在C语言中我们可以通过strerror函数打印出对应的错误信息。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
  for(int i=0;i<150;i++)
  {
    printf("[%d]->%s\n",i,strerror(i));
  }
  return 0;
}

需要注意的是： 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。

1.3 exit与_exit函数

首先我们来介绍一下exit函数，其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：

  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函数终止进程。

比如说以下这段代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  printf("hello betty!");
  exit(1);
  return 0;
}

如果我们使用的是_exit函数，那么进程就会直接退出，并不会做任何处理。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
  printf("hello betty!");
  _exit(1);
  return 0;
}

最后我们来谈谈return，exit，_exit之间的区别与联系。

首先只有在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。

画板

其中执行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。

2. 进程等待

为了解决僵尸进程，获取子进程的退出信息我们需要使用进程等待。其中进程等待有两个关键的函数wait与waitpid：

2.1 status参数

其中这两个关于进程等待的函数都有一个共同的参数status，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虽然是一个整型变量，但*status不能简单的当作整型来看待，因为status的不同比特位所代表的信息不同，一般我们只考虑低的16个比特位。

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。

画板

一般我们可以通过相关的位运算得到进程的退出码与退出信号。

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码 11111111
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号 01111111

为了降低用户的使用成本，操作系统也为我们提供了两个宏表示对应的退出码与退出信号。

  • 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。

2.2 wait函数

我们首先来介绍一下wait函数的使用的方法：

  • 原型：pid_t wait(int* 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。
  • 返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。

比如下面这段代码，我们用父进程一直等待子进程，然后获取其退出信息。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();//创建子进程
    if(id==0)
    {
        //chlld
        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);
    //如果等待成功
    if(ret>0)
    {
        printf("wait child success\n");
        if(WIFEXITED(status))
        {
            //退出正常
            printf("exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
        else
        {
            printf("exit signal:%d\n",status&0x7f);
        }
    }
    sleep(10);
    return 0;
}

子进程正常退出，父进程成功获取退出信息，子进程就不会形成僵尸进程。

如果我们通过指令杀死进程，父进程同样能等待成功并返回对应的信号。

2.3 waitpid函数

同样我们再来介绍waitpid函数。

  • 原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
  • 返回值：等待成功返回被等待进程的pid。如果设置了选项WNOHANG，而调用中waitpid发现没有已退出的子进程，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。
  • 参数：pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。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("eixt siganl %d\n", status & 0x7F);
		}
	}
	sleep(10);
	return 0;
}

并且我们还可以使用创建等待多进程的方式。

#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
		}
		//father
		ids[i] = id;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
		if (ret >= 0){
			//wait child success
			printf("wait child success..PID:%d\n", ids[i]);
			if (WIFEXITED(status)){
				//exit normal
				printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
			}
			else{
				//signal killed
				printf("exit signal %d\n", status & 0x7F);
			}
		}
	}
	return 0;
}

2.4 非阻塞轮询

在传统的父子进程关系中，当子进程未退出时，父进程通常处于阻塞等待状态，在此期间父进程不能进行其他操作。

然而，我们可以采用非阻塞等待的方式。具体做法是在调用waitpid函数时，向第三个参数options传入WNOHANG。这样，如果等待的子进程没有结束，waitpid函数将直接返回 0，父进程不进行等待，可以去做自己的事情。而当等待的子进程正常结束时，waitpid函数会返回该子进程的pid，此时父进程可以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();//创建子进程
    if(id==0)
    {
        //child
        int count=3;
        while(count--)
        {
            printf("child do something\n");
            sleep(3);
        }
        exit(0);
    }
    //father
    while(1)
    {
        int status=0;
        pid_t ret=waitpid(id,&status,WNOHANG);
        if(ret>0)
        {
            printf("wait success\n");
            printf("exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
            break;
        }
        else if(ret==0)
        {
            printf("father do other things\n");
            sleep(1);
        }
        else
        {
            //wait error
            break;
        }
    }
    return 0;
}

3. 进程替换

3.1 进程替换的概念

我们前面知道，父子进程是共享代码与数据的，如果修改子进程的数据就会发生写实拷贝。而今天我们需要修改子进程的代码，则需要进行进程替换。

当进程替换时，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。

画板

如果父子进程共享数据与代码，当对子进程进行进程替换时就会发生写实拷贝，所以对子进程就行进程替换并不会影响父进程。

3.2 进程替换函数

进程替换可以使用一下六个函数：

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。

首先我们要介绍的是execl函数：

  • 原型：int execl(const char *path, const char *arg, …)
  • 参数：path是要执行程序的路径，arg是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序, 注意以NULL为参数传递的结尾。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main() 
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0) 
    {
        perror("fork failed");
        return 1;
    } 
    else if (id == 0) 
    {
        // child
        if (execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a", NULL) == -1) 
        {
            perror("execl failed");
            exit(-1);
        }
    } 
    else 
    {
        // father
        int status;
        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
        if (ret < 0) {
            perror("waitpid failed");
            return 1;
        }
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("wait success\n");
            printf("exit code：%d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

并且我们也可能通过该接口，调用其他语言的脚本，比如我们调用一个python脚本。

execl("/usr/bin/python3","python","testp.py", NULL)

接下来我们将学习execlp接口：

  • 原型：int execlp(const char *file, const char *arg, …);
  • 参数：file是要执行程序的名称，arg是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序, 注意以NULL为参数传递的结尾。
execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);//执行ls -a -l

继续学习execle接口：

  • 原型：int execle(const char *path, const char *arg, …, char *const envp[]);
  • 参数：path是要执行程序的路径，arg是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序, 注意以NULL为参数传递的结尾，envp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);//执行./mycmd

继续学习execv接口：

  • 原型：int execv(const char *path, char *const argv[]);
  • 参数：path是要执行程序的路径，argv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。
char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);//执行ls -a -i -l

剩余接口我们就不在介绍了，因为每个接口的参数都类似，如果学习完上面接口，剩余接口的使用也是零成本。

最后为了方便记忆，我们将这些接口归类形成如下表格：

替换函数接口后后缀含义
l(list)参数采用列表方式
v(vector)参数采用数组方式
p(path)自动搜索环境变PATH,进行程序查找
e(env)自己维护环境变量,或者说自定义环境变量,可以传入自己设置的环境变量
函数名参数格式是否带路径是否使用当前环境变量
execl列表否是
execlp列表是是
execle列表否否，需自己组装环境变量
execv数组否是
execvp数组是是
execve数组否否，需自己组装环境变量

事实上，在系统调用中，只有execve才是真正的系统调用，其他五个函数（如execl、execle、execlp、execv、execvp）都是对execve函数的封装，目的是为了满足不同用户的需求。这也导致了在man手册中，execve位于第 2 节，而其他五个函数在第 3 节。

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