进程控制 ─── linux第15课

进程控制

1.进程创建

fork函数

写时拷贝

fork常规用法

fork调用失败的原因

进程终止

进程退出的场景

退出码

编辑

进程终止的方法

_exit函数

exit函数

exit与_exit

进程等待

进程等待必要性

进程等待的方法(wait 和waitpid)

阻塞非阻塞问题

编辑

非等待轮询代码

获取子进程的退出码或退出信号

进程程序替换

替换原理

替换函数

函数解释

execl函数。

使用示例:

命名理解

关于环境变量:

execl和execv的区别

execvpe使用样例

进程控制

1.进程创建

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

 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

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(pcb 虚拟进程空间页表 )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

写时拷贝

写时拷贝: 申请内存,发生拷贝,进行数据修改, 修改页表的物理内存 , 恢复权限.

并没有对原数据区进行覆盖

通常，父子代码共享，父子再不写入时，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:

父进程创建子进程时 ,子进程继承的页表中权限全是只读的 , 如果子进程尝试修改,会触发系统错误(因为权限都是只读) 触发缺页中断(进行系统检测)

1.子进程如果修改代码段(代码段不能修改),会导致子进程被杀掉

2. 子进程如果修改数据区, 则发生写时拷贝,也恢复了页表中的读写权限.

fork常规用法

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。后面讲解exec函数

fork调用失败的原因

系统中有太多的进程

实际用户的进程数超过了限制

进程终止

进程退出的场景

代码运行完毕，结果正确
代码运行完毕，结果不正确
代码异常终止(代码有问题 ,OS提前用信号终止了进程)

退出码

退出码用于表示进程的终止状态，正常退出时由进程显式设置

只有进程跑完才会设置退出码

0: 成功
非零: 错误不同的数字代表不同的错误类型

echo $?                    查看最近一个正常终止进程的退出码

main函数的返回值(退出码)--->返回给父进程或者系统

进程异常退出时通常是通过信号（Signal）终止的，而不是设置退出码。

退出码和信号是两种不同的机制,但都在进程的PCB中.

进程异常中止 会记录本身的退出信号
进程跑完, 结果对 ---->退出码设置为0

结果不对----> 退出码设置为非0

进程终止的方法

main函数return 而其他函数return仅仅只是函数的调用结束,与main函数不同
exit( ) 在代码的任意地方表示进程结束(会将缓冲区的内容刷新出来)推荐用
_exit( ) 不会将缓冲区的内容刷新

_exit函数

 #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
后面wait中将会说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值
是255。

exit函数

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

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

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

exit与_exit

exit( )是上层, _exit( )是下层
exit()=_exit() +fllush( )
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。

示例

#include <unistd.h>
void exit(int status);
int main()
{
     printf("hello");
     exit(0);
}

运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#
 
int main()
{
     printf("hello");
     _exit(0);
}

运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#

进程等待

进程等待必要性

一般而言,父进程创建子进程,就要等待子进程,直到子进程结束

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，进而造成内存漏。

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

进程等待的方法(wait 和waitpid)

wait方法

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 / nullptr

  1 #include<iostream>
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<sys/wait.h>
  4 #include<unistd.h>
  5 #include<cstdio>
  6 #include<string.h>
  7 #include<stdlib.h>
  8 #include<errno.h>
  9 
 10 int main()
 11 {
 12     printf("我是父进程,开始创建子进程\n");
 13     pid_t id = fork();
 14     if(id < 0)
 15     {
 16         printf("errno : %d, errstring: %s\n", errno, strerror(errno));
 17         return errno;
 18     }
 19     else if(id == 0)//子进程
 20     {
 21         int count = 5;
 22         while(count)
 23         {
 24             printf("子进程运行中,pid:%d\n", getpid());
 25             count--;
 26             sleep(1);
 27         }
 28         exit(1); //此处退出码设为1,便于后续观察
 29     }
 30     else//父进程
 31     {
 32         int status=0,count =10;
 33         pid_t rid = wait(&status);
 34         printf("已经等到子进程结束,退出码是%d\n",status);
 35         while(count)
 36         {
 37             printf("我是父进程: pid:%d\n", getpid());
 38             count--;
 39             sleep(1);
 40         }
 41     }
 42     return 0;

waitpid方法

pid_t rid = waitpid(id, &status, 0); // == wait


pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

返回值：
     > 0 : 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
     == 0: 成功等待,但子进程没有退出
     < 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。

 (输出型参数)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:
     option默认是0 :   代表阻塞等待.
     WNOHANG:         代表非阻塞等待 , 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待,后续还会进行轮询检测子进程是否结束. 若正常结束，则返回该子进程的ID。

阻塞非阻塞问题

如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行还未退出，则父进程会被阻塞在waitpid内部。
如果不存在该子进程，则立即出错返回。

非等待轮询代码

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // child
        while(true)
        {
            printf("我是子进程, pid : %d\n", getpid());
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }

    // father
    while(true)
    {
        sleep(1);
        pid_t rid = waitpid(id, nullptr, WNOHANG);
        if(rid > 0)
        {
            printf("等待子进程%d 成功\n", rid);
            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");

            // 做自己的事情
            //for(auto &task : tasks)
            //{
            //    task();
            //}
        }
    }

}

获取子进程的退出码或退出信号

status是32个bit位的位图, 只考虑低16位, 次低8位是退出码(退出状态) , 低7位是退出信号的值.
正常退出就只填(退出码)次低8位
异常退出就只填低7位

这也是为什么上面代码子进程exit(1) ,而父进程的status被修改成256(第8位被改为了1 )

下面的代码已经改了回来

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）

 else//父进程
 31     {
 32         int status=0,count =10;
 33         pid_t rid = wait(&status);
 34         if(WIFEXITED(status))
 35         {
 36             printf("已经等到子进程正常结束,退出码是%d\n",WEXITSTATUS(status));
 37         }
 38         while(count)
 39         {
 40             printf("我是父进程: pid:%d\n", getpid());
 41             count--;
 42             sleep(1);
 43         }
 44     }

进程程序替换

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 ,进行进程替换 所以调用exec前后该进程的id并未改变。

创建进程

调用exec家族

替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

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

函数解释

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

先来认识execl函数

execl函数。

execl 是 C 标准库中的一个函数，用于执行另一个程序。它属于 exec 函数族的一部分，用于替换当前进程的映像（即代码和数据）为新程序的映像。

A进程执行execl ,是将新进程的代码和数据 覆盖到了父进程的代码和数据上(只是改页表,PCB PID不变),execl成功运行后,A程序的execl后面的代码不会被运行了(代码区被新进程代码全覆盖)

参数:
path: 带路径的可执行程序(执行谁)

argc: 命令行怎么写的, 在这就怎么写(怎么执行)

最后一定要写NULL/nullptr (因为本质命令行参数是在一张表,最后是NULL/nullptr)

返回值:只要返回就是失败

使用示例:

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5     execl("/usr/bin/ls","ls" ,"-a","-l",NULL );
  6 
  7     return 0;
  8 }

命名理解

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。

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 带有p的不用带路径,只带可执行程序的名称就行

e(env) : 表示自己维护环境变量带e的用途: 使用全新的环境变量传递给目标程序

putenv 定义在 <stdlib.h> 头文件中，允许程序动态地修改或添加环境变量。
  const std::string myenv="HELLO=AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA";
  putenv((char*)myenv.c_str());
进程调用putenv 向自己的环境变量中写入,此进程的子进程也能看到,但此进程的父进程看不到

程序替换 ,不影响环境变量(全局性)

关于环境变量:

1. 默认让子进程继承了父进程的环境变量

2.如果要传递全新的环境变量,自己定义,自己传递(带e的exec)

3.新增环境变量(putenv函数)

execl和execv的区别

就是使用方法的不同

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5     char* const argv[]={
  6    (char*)"ls",
  7    (char*) "-a",
  8    (char*)"-l",
  9         NULL
 10         };
 11     execv("/usr/bin/ls",argv);
 12 
 13     return 0;
 14 }

execvpe使用样例

other.c代码

1 #include<stdio.h>
  2 
  3 int main()
  4 {
  5 
  6 extern char** environ;
  7 int i=0;
  8     for( ;environ[i];i++)
  9     {
 10         printf("env[%d]:%s\n",i,environ[i]);
 11     }
 12 return 0;
 13 }

myprocess.cc代码

  1 #include <iostream>
  2 #include <cstdio>
  3 #include <unistd.h>
  4 #include <sys/types.h>
  5 #include <sys/wait.h>
  6 
  7 const std::string myenv="HELLO=AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA";
  8 
  9 int main()
 10 {
 11     putenv((char*)myenv.c_str());
 12     pid_t id = fork();
 13     if(id == 0)
 14     {
 15         char *const argv[] = {
 16             (char*)"other",
 17             nullptr
 18         };
 19 
 20         char *const env[] = {
 21             (char*)"HELLO=linux",
 22             (char*)"HELLO1=linux1",
 23             (char*)"HELLO2=linux2",
 24             (char*)"HELLO3=linux3"
 25         };
 26 
 27         execvpe("./other", argv ,env);
 28         exit(1);
 29     }
 30 
 31     pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
 32     if(rid > 0)
 33     {
 34         printf("等待子进程成功!\n");
 35     }
 36     return 0;
 37 }