Linux_进程终止_进程等待

进程终止

不知道大家想过没有，我们写的main()函数的返回值是返回给谁的呢？其实是返回给父进程或者系统的。

int main()
{
    std::cout << "hello" << std::endl;
    return 10;
}

运行该代码，输入hello，没问题！当我们在命令行使用echo $? 发现结果是10。echo $?的作用是获得最近一个程序退出时的退出码。这个退出码通常用来表明错误的原因：返回0，说明程序执行成功；返回非0，程序执行错误。

当返回不同的非0数字时，约定或者表明不同出错的原因。其实系统是为我们提供了一批错误码的，通过函数errno就可获取，但是呢，这个错误码只是一个数字，系统可以看懂，但我们看不懂啊，所以我们通过strerror()获取对应错误码的错误信息！下面是，两个函数的函数原型和使用举例

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main()
{
    // 正常执行
    printf("before: errno:%d, errstring: %s\n",errno, strerror(errno));

    FILE* fp = fopen("./log.txt","r"); // 本路径下没有log.txt文件，所以打开一定会失败
    if(fp == nullptr)
    {
        printf("after: errno:%d, errstring: %s\n",errno, strerror(errno));
        return errno; 
    }
    return 10;
}

进程终止的方式

main函数的return

对于这种终止方式，大家都比较熟悉，这里不再解释

exit() - 最常见的终止方式

先看函数原型和代码举例

void fun(){
    std::cout << "hello world" << std::endl;
    exit(100);
}

int main()
{
    fun();
    std::cout << "进程正常退出" << std::endl;
}

上述代码运行之后，将语句exit(100)；改为 return 100；下面是两次运行的结果对比

从结果我们可以发现，使用exit函数之后，该程序就终止了，不再执行后面的语句！！所以return表示函数结束，而在代码的任何地方调用exit()函数，都表示进程结束。

_exit()

_exit与exit非常的类似，在用法上参考exit。下面我们主要谈谈它们的区别

_exit不会刷新缓冲区，exit会刷新缓冲区。
exit属于3号手册，属于语言级别；_exit属于2号手册，属于系统级别(系统调用)
exit与_exit是上下层的关系。

结合以上3点，我们可以得出结论：我们之前认为的缓冲区一定不在操作系统内部，这个缓冲区叫做语言级缓冲区，由C / C++提供。

进程等待

为什么要有进程等待？

当子进程退出，如果父进程不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。
进程一旦变成僵尸状态，那就变得刀枪不入，就算是“杀人不眨眼”的kill -9 也无能为力，毕竟谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
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。

结合以上三点，我们可以得出结论：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。

进程等待的方法

wait方法与waitpid方法

来看函数原型

wait()：返回值：成功就返回被等待进程pid，失败则返回-1。status为输出型参数，获取子进程退出状态，如果不关心则可以设置成为nullptr。

<重点>waitpid():

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，即退出信号）

        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。

对于我们创建出来的子进程，作为父进程，必须得等待子进程，直到子进程结束。即对子进程负责。如果子进程不退，父进程就要阻塞在wait函数内部(类比scanf())。我们来认识一下

获取子进程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nullptr，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，它由32个比特位构成，其中8 - 15位为退出码。可以把它当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

重谈进程退出

代码跑完，结果对，return 0
代码跑完，结果不对，return !0
进程异常了，OS提前使用信号终止了你的进程

上述的前两种情况，通过退出码就可判定。但第三种情况只有在进程的退出信息中的退出信号里才可以判定。

一般我们想知道一个进程运行结果是否正确，前提条件是这个信号的退出信号值为0(证明代码是正常跑完的)，但结果对还是不对是通过退出码来进一步判断

当你创建出来一个子进程，让它帮你完成任务。如果你不关心子进程做的怎么样，那么你可以不用status(即将status设为nullptr)；当你想要获取子进程的退出结果等信息，此时我们必须要通过status来获取子进程的退出信息。

// 使用宏，获取进程的退出信息
if(WIFEXITED(status))     // 退出信号不为空，进程正常执行
{
    printf("wait sub process success, rid: %d, status code: %d\n"
                                    ,rid, WEXITSTATUS(status));
}
else            
{
    printf("child process quit error!\n");
}

阻塞与非阻塞

waitpid()中的第三个参数options就是与阻塞相关的。当options的值为0时，为阻塞等待；当options的值为WNOHANG时，为非阻塞等待。在非阻塞等待时，由父进程循环调用非阻塞接口，完成轮询检测，以完成更多的事情。

// 非阻塞测试代码
typedef std::function<void()> task_t;
void LoadTask(std::vector<task_t> &tasks){
    tasks.push_back(PrintLog);
    tasks.push_back(Download);
    tasks.push_back(Backup);
}

int main()
{
    std::vector<task_t> tasks;
    LoadTask(tasks);

    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        while(true)
        {
            printf("我是子进程, pid : %d\n", getpid());
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    while(true)
    {
        pid_t rid = waitpid(id, nullptr, WNOHANG); 
        if(rid > 0)
        {
            printf("等待子进程%d成功\n",rid);    // 返回目标子进程的pid
            break;
        }
        else if(rid < 0)
        {
            printf("等待子进程失败\n");
            break;
        }
        else
        {
            printf("子进程尚未退出\n");

            // 在等待子进程期间，父进程可以做自己的事情
            for(auto &task : tasks)
            {
                task();
            }
        }
    }
}

当waitpid()的返回值 > 0 表示等待成功，返回目标子进程的pid；

当waitpid()的返回值 == 0 表示等待成功，但是子进程没有退出；

当waitpid()的返回值 < 0 表示等待失败。

进程程序替换

什么是程序替换

我们在使用fork()系统调用之后，创建出来的子进程是对父进程的复制，也就是说子进程和父进程执行的是相同的程序，虽然说父子进程可能执行的是不同的代码分支（if else语句），但是程序流程是一样。所以我们要想让新创建的子进程中执行其他程序，就需要子进程调用一种exec函数来达到执行另一个程序的目的。

当进程调用一种exec函数的时候，该进程的用户空间代码和数据全部被新程序替换掉，从新程序的启动例程开始执行。需要注意的是，调用exec并不会创建新进程，而是一种进程替换，所以调用exec前后，进程本身的pid不会改变。

程序替换的原理

// myexec.cc文件
#include <unistd.h>
int main()
{
    execl("/bin/ls", "ls", "-l", "-a", nullptr);

    return 0;
}

当我们 ./myexec.cc 之后该文件就变为一个进程，拥有自己的PCB，页表等。磁盘里还存在另一个程序，当我们在代码里调用execl函数，磁盘里另一个程序会覆盖当前进程的数据段和代码段！这就叫做程序替换。哪一个进程调用execl，哪一个进程的代码和数据就会被execl中参数的相关信息覆盖。

由上图可知，execl并不会创建新的进程，只是把代码和数据替换了！但是不会影响命令行参数和环境变量，虽然它们也是数据。

exec函数族

exec函数族一共有6种，下面是函数原型和需要包含的头文件

#include <unistd.h>

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[]);

函数参数

        path：可执行程序路径。

        file：要执行的程序名。

        arg：参数列表，最后需要一个nullptr作为结尾，这个nullptr实际上就是一个哨兵，来告诉程序参数列表到此结束。另外参数arg是从arg[0]开始的，而arg[0]是这个程序本身，所以在写参数列表的时候需要先写一个程序本身来占位（实际上是个占位参数）。

返回值

        成功的时候是没有返回值的；只有失败了才会返回-1。由此我们可以得出结论：只要返回，就说明exec失败了！（exit函数也不需要考虑返回值）

exec函数族介绍

exec函数族的命令是有一定的规律的，l表示list，就是参数列表的意思；p代表PATH，所以带p的参数都是file，不带p的参数都是path；e代表环境变量，我们可以设置这个环境变量，比如execle()有一个参数envp[]就是设置环境变量的；v表示vector，我们可以把参数放到一个数组中(我们就不需要一个一个写参数了)，然后把数组传给execv()。结合下图理解可能更清晰一点

exec函数族本质就相当于把可执行程序加载到内存。

exec函数族的详细说明

execl函数的第一个参数是一条路径，后面是可变参数，也就是说你在命令行怎样输出命令，在这里就怎么写。

举个例子：

execl函数与execv函数没有本质区别，execv只是把在execl中需要传递的参数，放在了一个vector里面，直接传vector就可以了。所有函数名中带p的第一个参数只需要传可执行程序的名字。

// 部分exec函数的使用举例 -- 以ls为例
execl("/bin/ls", "ls", "-l", "-a", nullptr);
execv("/bin/ls", argv);
execlp("ls", "ls", "-l", "-a", nullptr);     
execvp("ls", argv);

关于环境变量

环境变量我们可以不传，使用默认的；也可以使用execvpe函数自主决定要传什么样的环境变量，就是使file使用全新的环境变量。

可以让子进程继承父进程全部的环境变量
如果要传递全新的环境变量（需要自己定义，自己传递）
新增环境变量需要用putenv函数

exec函数族的调用关系

事实上，只有execve是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用 execve，所以execve在man手册第2节，其它函数在man手册第3节。

#include <unistd.h>

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

上述函数只有在传参方式上有明显差别，是为了满足不同的应用场景。

shell进程执行命令的原理

exec函数族的作用是用来进行进程替换的，但是exec函数有个特点：一旦执行成功就不会再返回了。如果我们shell需要执行某种功能，直接对shell进程进行替换，成功后就直接执行该功能。很好，没毛病，但是我执行完该功能，我想再返回shell进程，这时候怎么办？

实际上shell是先使用fork()创建一个子进程，然后让子进程使用exec函数进行进程替换，从而完成某种功能。这两个进程互不干扰，既解决了上面的返回问题，又解决了执行某种功能的问题。这才是真实的exec函数的应用场景，也就是说exec函数族是和fork()函数一块使用的。实际上这就是shell执行命令的原理。