【操作系统】06.进程控制

一、进程创建

1.1 认识fork函数

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。
在这里插入图片描述

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核将

  1. 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
  2. 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
  3. 添加子进程到系统进程列表当中
  4. fork返回，开始调度器调度
    在这里插入图片描述

1.2 写时拷贝

通常，父子代码共享，父子在不写入时，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。具体见下图：
在这里插入图片描述
其实，我们使用fork()函数创建子进程时，操作系统会将父进程数据权限置为只读。后续当我们想要向子进程写入时，首先会触发系统错误，引起缺页中断，而后操作系统就会进行检测，当判断为该数据是可写入时发生写时拷贝。
进行写时拷贝时，首先会向操作系统申请内存空间进行拷贝，然后修改页表对应的物理内存，最后将读写权限恢复即可。整个过程都是由操作系统自主实现的。

二、进程终止

前面我们有谈到过，当进程退出时会返回父进程或操作系统一个退出码。我们可以使用$?来查看最近一个进程的退出码，用0表示正常退出，非零表示各种各样的退出原因（可以自己设置）。

2.1 进程终止的方式

main函数返回

#include<stdio.h>

void func()
{
    printf("Hello World!\n");
}

int main()
{
    func();
    return 0;
}

[caryon@VM-24-10-centos lesson16]$ ./code
Hello World!
[caryon@VM-24-10-centos lesson16]$ echo $?
0

调用exit

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void func()
{
    printf("Hello World!\n");
    exit(100);
}

int main()
{
    func();
    printf("process is done!\n");
    return 0;
}

[caryon@VM-24-10-centos lesson16]$ ./code
Hello World!
[caryon@VM-24-10-centos lesson16]$ echo $?
100

调用_exit

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
void func()
{
    printf("Hello World!\n");
    _exit(100);
}

int main()
{
    func();
    printf("process is done!\n");
    return 0;
}

[caryon@VM-24-10-centos lesson16]$ ./code
Hello World!
[caryon@VM-24-10-centos lesson16]$ echo $?
100

Ctrl+c
这个我们很常用了，就不多赘述了。

exit和_exit有什么区别？
我们通过一个小实验发现exit会将缓冲区刷新，而_exit则不会。
这一点区别也与他们的特性有关：_exit是系统调用接口，而exit是对_exit和输出缓冲区的封装。这一点也正好的说明了缓冲区不是系统层的概念，而是语言层的概念，缓冲区一定不在操作系统上。

三、进程等待

3.1 为什么要有进程等待

  • 之前的博客讲过，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 进程等待的方法

在这里插入图片描述

wait

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
 
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为NULL

这个函数用以让父进程等待任意一个子进程结束，等待的时候，子进程不退，父进程就要阻塞在wait函数内部。
可以回收僵尸状态的子进程。

实例：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
 
void Worker()
{
    int cnt =10;
    while (cnt--)
    {
        printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);
        sleep(1);
    }
}
 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // child
        Worker();
        exit(0);
    }
    else
    {
        // father
        pid_t rid = wait(NULL);
       
        if (rid > 0)
            printf("wait success\n");
        else if(rid == -1)
        	printf("wait fail\n");
        while(1)
        {
            printf("haha\n");
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

[caryon@VM-24-10-centos ~]$ ps axj |head -1 ;ps axj |grep code |grep -v grep
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
30280 16225 16225 30280 pts/0    16225 S+    1001   0:00 ./code
16225 16226 16225 30280 pts/0    16225 S+    1001   0:00 ./code
[caryon@VM-24-10-centos ~]$ ps axj |head -1 ;ps axj |grep code |grep -v grep
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
30280 16225 16225 30280 pts/0    16225 S+    1001   0:00 ./code

I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 9
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 8
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 7
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 6
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 5
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 4
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 3
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 2
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 1
I am child process, pid: 16226, ppid: 16225, cnt: 0
wait success
haha
haha
haha

waitpid

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

pid_ t waitpid(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；
//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。
//	 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。

这个函数与上述函数可以不同，它可以设置是否为阻塞等待，只需要将options置为非零就可以实现非阻塞等待。
实例

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
 
void Worker()
{
    int cnt =10;
    while (cnt--)
    {
        printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);
        sleep(1);
    }
}
 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // child
        Worker();
        exit(0);
    }
    else
    {
        // father
        pid_t rid = waitpid(-1,NULL,WNOHANG);
       
        if (rid > 0)
            printf("wait success\n");
        else if(rid == -1)
        	printf("wait fail\n");
        while(1)
        {
            printf("haha\n");
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

[caryon@VM-24-10-centos ~]$ ps axj |head -1 ;ps axj |grep code |grep -v grep
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
30280 20747 20747 30280 pts/0    20747 S+    1001   0:00 ./code
20747 20748 20747 30280 pts/0    20747 S+    1001   0:00 ./code
[caryon@VM-24-10-centos ~]$ ps axj |head -1 ;ps axj |grep code |grep -v grep
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
30280 20747 20747 30280 pts/0    20747 S+    1001   0:00 ./code

haha
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 9
haha
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 8
haha
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 7
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 6
haha
haha
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 5
haha
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 4
haha
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 3
haha
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 2
I am child process, pid: 20748, ppid: 20747, cnt: 1
haha
haha

非阻塞等待状态就允许父进程干自己的事情。

3.3 获取子进程的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，可以当作位图来看待，具体细节如下图（status的低16位用以表示退出信息，其中该16位的高8位用以存储退出状态信息，低7位用以存储终止信号信息）：
    在这里插入图片描述

实例：

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
 
int main()
{
	pid_t pid = fork();

	if (pid < 0)
		perror("fork"),exit(1);

	if ( pid == 0 )
	{
		sleep(20);
		exit(10);
	} 
	else 
	{
		int st;
		int ret = wait(&st);

		if ( ret > 0 && ( st & 0X7F ) == 0 )
		{ 
			// 正常退出
			printf("child exit code:%d\n", (st>>8)&0XFF);
		} 
		else if( ret > 0 ) 
		{ 
			// 异常退出
			printf("sig code : %d\n", st&0X7F );
		}
	}
}

四、进程程序替换

4.1 替换原理

用fork创建子进程后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),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。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,从新程序的启动例程开始执行。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。
在这里插入图片描述

4.2 exec系列函数

#include <unistd.h>`
//语言封装接口
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 argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
//系统接口
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

//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。

这些函数看似很多，但是我们掌握了规律就好记了：

  • 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

单进程的例子

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
 
int main()
{
    execl("/usr/bin/ls","-l","-a",NULL);
    return 0;
}

[caryon@VM-24-10-centos linux]$ ./code
.   code    .git      lesson11	lesson13  lesson15  lesson2  lesson4  lesson6  lesson8	工具.png  权限.png
..  code.c  lesson10  lesson12	lesson14  lesson16  lesson3  lesson5  lesson7  lesson9	指令.png

我们如果仅仅是单进程的话一旦execl错误就会导致我们的进程崩溃，因此我们都是使用子进程在执行我们的进程程序替换的。
多进程的例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
const char* const argv[] = {
    "ls",
    "-l",
    "-a",
    NULL
};
 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
       // child
       printf("I am a child , my PID:%d\n",getpid());
       execl("/bin/ls","-aln",NULL);
       exit(0);
   }  
    else 
    {
        pid_t rid = waitpid(-1,NULL,0);
        if (rid > 0)
        {
            printf("wait succes!! PID:%d\n",rid);
        }
    }
    return 0;
}

[caryon@VM-24-10-centos linux]$ ./code
I am a child , my PID:10628
code	lesson10  lesson12  lesson14  lesson16	lesson3  lesson5  lesson7  lesson9   指令.png
code.c	lesson11  lesson13  lesson15  lesson2	lesson4  lesson6  lesson8  工具.png  权限.png
wait succes!! PID:10628

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