【Linux】进程创建/等待/替换相关知识详细梳理

1. 进程创建        

        1.1 fork函数

        概念:fork函数为系统调用接口,用于从已存在的进程中,创建一个新的进程。新进程为子进程,原来的进程为父进程。

        用法:

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
// 返回值:自进程中返回0,父进程返回子进程id,出错返回-1

        示例:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    if (ret < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if (ret == 0)
    { // child
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    else
    { // father
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

(其中getpid()这种获取进程信息的系统调用我在上一篇文章已经讲过) 

输出: 

 

 知道了用法,那么进程创建的原理是怎样的呢?

        应用场景:

        一个父进程希望复制自己,使父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(这样的好处是不会影响主进程)。

        调用失败原因:

        系统中有太多的进程。
        实际用户的进程数超过了限制。

2. 进程创建原理

进程调用fork,系统转而运行内核中的fork代码,内核将:
        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;

        需要注意的是,子进程会继承父进程的代码和数据,包括环境变量表,皆以写实拷贝的方式继承,一旦数据发生修改,系统就会给修改的进程分配新的空间,所以父子进程间是独立的。

        此外,当一个进程调用fork之后,就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。(上面的示例程序已经冲分说明)。
        所以,fork之前父进程独立执行,fork之后,父子两个执行流分别执行,并且互不干扰。

        注意:fork之后,谁先执行完全由调度器决定。

3. 进程等待 

        进程等待的就是进程的退出信息,所以在讲进程等待之前,我们先要了解进程退出的方式。

3.1 进程退出

        父进程等待的就是子进程的退出,同时子进程的退出分为以下几种情况:

        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。
 

        _exit函数:

        定义: _exit 是一个系统调用(在 POSIX 系统中),定义在 <unistd.h> 中,直接使程序立即终止。

        用法:

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
//参数:status 定义了进程的终止状态,父进程通过wait来获取该值
#include <unistd.h>

int main() {
    printf("Program exiting with _exit.\n");
    _exit(0);
}

        注意: _exit不会执行任何清理工作,程序会直接退出。这意味着:

        已注册的 atexit() 清理函数不会被调用。

        标准 I/O 缓冲区不会被刷新,未写入的数据可能会丢失。

        打开的文件不会被正常关闭。

        使用场景_exit 常用于子进程在 fork() 后立即退出的情况,避免执行父进程的缓冲刷新或文件关闭操作,从而防止副作用。

        exit函数:

        定义exit 是标准库函数,定义在 <stdlib.h> 中,常用于正常终止程序。

        用法:

#include <unistd.h>
void exit(int status);
#include <stdlib.h>

int main() {
    printf("Program exiting with exit.\n");
    exit(0);
}

        exit 会在终止程序之前进行一系列清理工作,包括:

        调用已注册的清理函数:通过 atexit() 注册的清理函数会被调用。

         刷新缓冲区:标准I/O缓冲区(例如 stdout 和 stderr)会被刷新,确保输出流中的内容被写入到文件或终端。

         关闭打开的文件:所有已打开的文件会被关闭,以确保数据完整性。

        (实际上,最后exit也调用了_exit)

        使用场景exit 适用于需要进行清理的正常退出场景,常用于程序的常规退出。

         return退出:

         return是一种更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的返回值当做 exit的参数。

        3.2进程等待

        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,那就没法“杀掉”了,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。
        综上所述:

        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。

        wait函数:

        定义:wait 是一个系统调用,定义在 <sys/wait.h> 中。其主要功能是让父进程等待任意一个子进程结束。

        用法:

#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*/
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {  // 子进程
        printf("Child process running\n");
        _exit(0);  // 子进程退出
    } else {  // 父进程
        int status;
        wait(&status);  // 等待任意一个子进程结束
        if (WIFEXITED(status)) { //宏,检查是否正常结束
            printf("Child exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }                                         //宏,获取进程退出码
    }

    return 0;
}

 

        功能:当调用 wait 时,父进程会暂停执行,直到一个子进程结束。wait 返回结束子进程的 PID,同时将子进程的退出状态存储在提供的指针参数中。

        限制wait 只能等待任意一个子进程,不能指定具体的子进程。当有多个子进程时,wait 不保证等待的是哪个子进程。

       waitpid函数:

        用法:

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
/*参数:
    pid:要等待的子进程 PID。可以是具体的 PID,也可以是特定值(例如 -1 表示等待任意子进程)。
    status:指向一个 int 变量的指针,用于存储子进程的退出状态。
    options:控制等待行为的选项,如 WNOHANG(非阻塞等待)和 WUNTRACED(等待暂停的子进程)。
  返回值:
    成功时返回子进程的 PID,若使用 WNOHANG 且没有子进程退出,则返回 0;失败时返回 -1。
*/
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {  // 子进程
        printf("Child process running\n");
        _exit(0);  // 子进程退出
    } else {  // 父进程
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);  // 等待指定子进程结束
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("Child exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }

    return 0;
}

功能:waitpid 可以指定要等待的子进程的 PID,并提供了额外的选项来控制等待的行为:

        等待特定的子进程(通过指定 PID)。

        在非阻塞模式下工作(通过设置 WNOHANG 标志)。

 关于阻塞和非阻塞等待的区别:

        阻塞是等不到就一直等,啥也不做就等。

        而非阻塞等待就是运行到等待就等一下,如果子进程还没退出就返回0,再去干自己的事,等会再来等。

        阻塞等待代码:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);
        return 1;
    }
    else if (pid == 0)
    { // child
        printf("child is run, pid is : %d\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(257);
    }
    else
    {
        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0); // 阻塞式等待,等待5S
        printf("this is test for wait\n");
        if (WIFEXITED(status) && ret == pid)
        {
            printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status));
        }
        else
        {
            printf("wait child failed, return.\n");
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}
/*运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.
*/

        非阻塞等待代码: 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);
        return 1;
    }
    else if (pid == 0)
    { // child
        printf("child is run, pid is : %d\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(1);
    }
    else
    {
        int status = 0;
        pid_t ret = 0;
        do
        {
            ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞式等待
            if (ret == 0)
            {
                printf("child is running\n");
            }
            sleep(1);
        } while (ret == 0);
        if (WIFEXITED(status) && ret == pid)
        {
            printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status));
        }
        else
        {
            printf("wait child failed, return.\n");
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

 3.3 子进程返回值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(只研究status低16特
位):

 

        用程序来示例:

//测试代码:
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    if ( (pid=fork()) == -1 )
        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);//获取退出码
        } else if( ret > 0 ) { // 异常退出
        printf("sig code : %d\n", st&0X7F );//获取退出信号
        }
    }
}
/*测试结果:
[root@localhost linux]# ./a.out #等20秒退出
child exit code:10
[root@localhost linux]# ./a.out #在其他终端kill掉
sig code : 9
*/

        其中, 移位和与操作也可换为宏,WIFEXITED和WEXITSTATUS:

        WIFEXITED(status):用于检查子进程是否正常退出(即通过调用 exit_exit 或 return 退出)。

         WIFEXITED(status) 会返回一个非零值(即 true),如果子进程是正常退出的;否则返回零(false)。

        WEXITSTATUS(status):用于获取子进程的退出状态码(退出码通常是传递给 exit 或 return 的值)。

        WEXITSTATUS(status) 会提取子进程的退出码,但前提是 WIFEXITED(status) 返回 true

4. 进程替换

         进程替换指的是使用一个新程序替换当前进程的执行内容。通常使用 exec 系列函数来实现这一功能,例如 execlexecvexecleexecveexeclp 和 execvp 等。

        进程替换的作用:

        进程替换允许在当前进程的地址空间中运行一个全新的程序,而不创建新进程。这在操作系统中有很多应用,例如当一个Shell解释器执行命令时,它会使用进程替换来执行新命令。

        exec系列函数:

#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[]);
/*
参数:
    path:程序路径
    file:程序名
    arg,...:可变参数列表,分段传程序选项,以NULL结尾,例:"ls" ,"-l",NULL。
    argv[]:程序选项数组,例:char * const argv[] = {"ls","-l",NULL}
    envp:环境变量表。例:char * const envp[] = {"PATH=/bin", NULL}

 

        1. execl:传递可变数量的参数,最后一个参数必须为 NULL

execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL);

        2. execv:传递参数数组。 

char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
execv("/bin/ls", args);

        3. execle:传递环境变量数组和可变数量的参数。 

char *env[] = {"PATH=/bin", NULL};
execle("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL, env);

         4. execve:传递参数数组和环境变量数组。

char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
char *env[] = {"PATH=/bin", NULL};
execve("/bin/ls", args, env);

        5. execlp 和 execvp:与 execl 和 execv 类似,但会在 PATH 环境变量中搜索可执行文件。

execlp("ls", "ls", "-l", (char *)NULL);
char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
execvp("ls", args);

         记忆方式:

        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

5. 进程替换原理

        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。

综上:

        

  • 进程替换是使用新程序覆盖当前进程的内存空间。
  • exec 系列函数提供多种方法来执行新程序,不同函数的参数传递方式略有不同。
  • 成功的进程替换会使当前进程执行新程序,替换后的进程继续使用当前的进程ID(PID),但代码、数据、堆栈都将被新程序所替代。

 

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