Linux进程控制

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可口也可樂、 发表于 2022/03/07 13:05:41 2022/03/07
【摘要】 零、前言本章主要讲解关于进程的控制，深入学习进程 一、进程创建 1、fork函数概念：在linux中fork函数从已存在进程中创建一个新进程（子进程），而原进程为父进程fork函数原型：pid_t fork(void);注意：使用fork()函数需要包含头文件<unistd.h>；pid_t类型需要包含头文件<sys/types.h>fork成功后对子进程返回0，对父进程返回子进程id，f...

@TOC

零、前言

前篇我们讲解学习了关于进程的概念知识，本章主要讲解关于进程的控制，深入学习进程

一、进程创建

1、fork函数

  • 概念：

在linux中fork函数从已存在进程中创建一个新进程（子进程），而原进程为父进程

  • fork函数原型：
pid_t fork(void);
  • 注意：

  1. 使用fork()函数需要包含头文件<unistd.h>；pid_t类型需要包含头文件<sys/types.h>

  2. fork成功后对子进程返回0，对父进程返回子进程id，fork出错返回-1

  • 内核视角看待fork：

  1. 进程调用fork，内核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（例如PCB进程控制块，进程地址空间，页表等）

  3. 添加子进程到系统进程列表当中，当fork返回后开始调度器调度进程

  • 示图：
image-20220302160133880
  • fork后执行问题：

当一个进程调用fork之后，父子进程共享同一份代码，也就是说整个代码父子进程都可以看到，但是此时父子进程的执行位置都是相同的，也就是说fork返回后子进程也是往fork之后的代码执行（并非再从头执行）

  • 示例：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    printf("Before fork: pid is %d\n", getpid());
    pid_t pid=fork();
    if (pid== -1 )//fork错误
    {
		perror("fork fail");
        exit(1);
    }
    printf("After fork:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
    sleep(1);
    return 0;
}
  • 结果：
image-20220302161734352
  • 示图：
image-20220302160358847

2、fork返回值

  • 返回值：

fork成功对子进程返回0，对父进程返回子进程的pid

写时拷贝

  • 概念：

fork成功之后父子代码共享，当父子不写入数据时，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

  • 为什么数据要进行写时拷贝:

进程具有独立性，多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程

  • 为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝：

子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝，我们应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间，提高fork效率，以及fork的成功率

  • 代码会不会进行写时拷贝：

90%的情况下是不会的，但这并不代表代码不能进行写时拷贝，例如在进行进程替换的时候，则需要进行代码的写时拷贝

  • 示图：
image-20220302161912492
  • fork函数为什么要给子进程返回0，给父进程返回子进程的PID：

一个父进程可以创建多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程。因此，对于子进程来说，父进程是不需要被标识的；而对于父进程来说，子进程是需要被标识的，因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的，父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程进行深入操作

  • 为什么fork存在“两个”返回值：

父进程创建子进程时，子进程以父进程为模板构建进程，代码数据父子共享，返回时也是父子进程进行修改数据时，由页表发现该数据是父子进程共享的，所以系统会找到另一个物理空间进行拷贝数据，拷贝数据后再修改数据，达到数据各有一份互不干扰的目的，保证进程的独立性

3、fork用法

我们创建子进程并不是为了父进程执行一样的代码，而是为了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

  • 用法1：fork返回后分流执行不同代码

  • 示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    pid_t id=fork();//创建子进程
    if(id==0)
    {
        //child
        int cnt=0;
        while(1)
        {
            printf("I am child: pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
            if(cnt==8)
                break;
            cnt++;
        }   
        exit(1);//终止进程
    }
    else if(id>0)
    {
        //father
       int cnt=0;
        while(1)
        {
            printf("I am father: pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
            if(cnt==8)
                break;
            cnt++;
        }   
    }
    return 0;
}
  • 结果：

image-20220302171715575

  • 用法2：fork返回后调用exec函数替换进程

注：在下文有着重讲解

4、fork失败

fork本质就是向系统要资源，当某个资源不够时则会发生fork失败

  • 失败原因：

1.系统中有太多的进程

2.实际用户的进程数超过了限制

二、进程终止

1、退出码

  • 概念：

  1. 其实main函数是间接性被操作系统所调用的，当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息，而这个所谓的退出信息就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回

  2. 我们一般以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，一般来说我们写的代码都不太规范，没有根据执行结果返回相应的退出码

注：退出码可以人为定义，也可以使用系统的错误码表

  • 示图：系统错误码表
image-20220306114947151
  • 退出码查看：

使用指令 echo $?

  • 示例：
image-20220302210202182

注：如果main没有return，则echo $?查看的是最近函数的退出码，一般来说都是0

2、退出方法

  • 进程退出场景:

  1. 代码运行完毕，结果正确，退出码为0

  2. 代码运行完毕，结果不正确，逻辑存在问题，退出码为非0

  3. 代码异常终止，层序崩溃，退出码没有意义

  • 进程常见退出方法：

1) 调用_exit函数

  • _exit函数原型：
#include <unistd.h>
void _exit(int status);
  • 注意：

  1. status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

  2. 虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用

注：_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255

  • 示图：
image-20220302222638541

2)调用exit函数

  • exit函数原型：
#include <unistd.h>
void exit(int status);
  • exit与_exit的区别：

  1. _exit仅仅是退出进程

  2. exit在退出进程前，先执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数，关闭所有打开的流，所有的缓存数据均写入（刷新缓冲区），最后调用_exit

  • 示图：
image-20220302172231011
  • 示例：
image-20220302224207598

3)main函数return

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

  • 示图：
image-20220302221624274
  • 注意：

  1. 只有是在main函数的的return才算是终止进程，其他函数return只是结束函数，因为系统调用的是main函数，main函数返回才是进程的返回

  2. 调用main函数运行结束后，main函数的return返回值当做exit的参数来调用exit函数，而使用exit函数退出进程前，exit函数会先执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再调用_exit函数终止进程

4)异常退出

  1. 向进程发生信号

如在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出，或是使用Ctrl+C迫使进程退出

  1. 代码运行异常

如代码当中存在野指针问题等bug问题使得进程运行时异常退出

3、理解终止

  • 以OS角度理解：核心思想-归还资源

  1. 释放曾经为管理进程所维护的数据结构资源，并非销毁释放数据结构对象，而是将状态设置为无效并保存起来，下一次需要就直接使用不用申请，相当于建立对应的数据结构“内存池”

  2. 释放程序数据和代码占用的空间，并非清空数据和代码，而是将对应内存区域设置为无效，要再次使用时直接覆盖数据和代码就行了

  3. 取消曾经该进程在进程队列里的链接关系（避免”野指针“）

三、进程等待

  • 进程等待必要性：

  1. 当子进程退出，并不是完全退出，子进程的PCB任然存在，父进程如果不等待回收，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏

    注：进程一旦变成僵尸状态，并不能被父进程给kill掉，因为子进程已经死去，只能父进程等待回收

  2. 子进程的PCB保留着退出前任务执行的信息，而通过回收子进程我们可以知道子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出

    注：非必须，依执行的程序和需求而定

  3. 尽量使父进程晚于子进程退出，可以规范化进行资源的回收

    注：所以一般来说，当我们fork之后，就需要父进程等待回收子进程

1、等待方法

  • wait方法：

wait函数原型：

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);
  • 注意：

  1. wait函数作用的等待任意子进程

  2. 返回值：成功返回被等待进程pid，失败返回-1

  3. 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

  • waitpid方法：

waitpid函数原型：

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
  • 注意：

返回值：

  1. 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID

  2. 如果设置了选项options为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：

  1. Pid=-1，等待任一个子进程，与wait等效

  2. Pid>0，等待其进程ID与pid相等的子进程

参数status：

  1. 参数status是一个输出型参数，需要我们传入一个整形变量的地址，以此获取子进程退出的信息

  2. 使用对应的宏可以查看我们需要的退出信息：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）

参数options：

  1. 设置为0：表示默认的阻塞式等待子进程退出，即子进程没退出就不返回，一直等待到子进程退出回收子进程

  2. 设置为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

  • 示例1：阻塞等待
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        printf("I am child process:  pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());
        sleep(5);
       // int* p=12345;
       // *p=100;//野指针
        exit(123);
    }
    printf("father wait...\n");
    int status=0;
    //pid_t ret=wait(&status);//等待特定任意子进程
    pid_t ret=waitpid(id,&status,0);//阻塞等待特定子进程
    if(ret>0&&WIFEXITED(status))//等待成功并子进程退出正常
    {
        printf("wait success: wait for id:%d status code:%d\n",ret,WEXITSTATUS(status));
    }
    else if(ret>0)//等待成功但是子进程退出异常
    {
        printf("exit error! status codedump:%d sign:%d\n",(status>>7)&1,status&0x7F);
    }
    return 0;
}
  • 结果：

image-20220304110233180

  • 示例2：非阻塞等待
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if(pid < 0){//fork失败
    	printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
    	return 1;
    }else if( pid == 0 ){ 
        //child执行
        printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
        sleep(5);
        exit(1);
    } else{
        //father执行
        int status = 0;
        pid_t ret = 0;
        do{
            ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待
            if( ret == 0 ){//等待失败则继续等待
                printf("child is running\n");
                //TODO...等待执行其他任务,待会再等待
            }
            sleep(1);
        }while(ret == 0);
        //等待成功打印对应信息
        if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){
            //退出正常输出退出码
            printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
        }else{
            //退出异常
            printf("wait child failed, return.\n");
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}
  • 结果：

image-20220304125436442

  • 总结：

  1. 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

  2. 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞

  3. 如果不存在该子进程，则立即出错返回

  • 示图：
image-20220304111817313

2、获取status

  • 概念：

  1. wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行将退出信息填充

  2. 如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息；如果传递变量地址，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

  3. 使用对应的宏可以方便查看我们需要的退出信息：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）

注：status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待（只有status的低16比特位有有效信息）

  • 示图：
image-20220304111910131
  • 注意：

  1. 如果是正常退出，我们可以进一步获取子进程退出的退出码（退出状态），通过退出码判断进程执行的结果如何，是对还是错

  2. 如果是异常退出，那么退出码变没有意义（执行任务已经失败），只需要考虑低7位的信息查看是怎样的异常

  • 示例：
#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);
        } else if( ret > 0 ) { // 异常退出
        	printf("sig code : %d\n", st&0X7F );
        }
    }
}
  • 结果：
image-20220304125129271

3、理解等待

  • 以OS的视角理解：

  1. 父进程创建子进程，并调用系统接口wait/waitpid进行等待

  2. 系统会将当前进程放进等待队列，并将进程的状态设置为非R

  3. 当到一定程度时，系统会唤醒进程，进程由等待队列转为运行队列，同时状态变为R

四、进程替换

1、替换原理

  1. 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)

  2. 如果想执行不同程序，子进程可以调用一种exec函数以执行另一个程序

  3. 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

注：调用exec并不创建新进程，只是将进程的代码和数据写时拷贝成新程序的代码和数据（达到替换的效果），所以调用exec前后该进程的id并未改变

  • 示图：
image-20220304114041639

2、替换方法

  • exec系列函数原型：
#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[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
  • 注意：

  1. 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（已经将代码和数据全部替换，执行新程序的执行逻辑）

  2. 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

  • 命名理解：
l(list) : 表示参数采用列表的形式传入如何使用程序或者命令
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
  • 示图：

image-20220304114148956

  • 具体使用介绍：
//子进程替换程序为ls命令
execl("/user/bin/ls","ls","-i","-a","-l",NULL);   
//注：l表示列表形式，即以可变参数的形式使用程序，最后一个参数需要传入NULL，表示参数传入结束
execlp("ls","ls","-i","-a","-l",NULL); 
//注：对于ls这样的系统命令，其路径被储存在PATH环境变量里，execlp函数会自动到PATH里通过各路径去寻找ls命令；如果系统程序指令，则要么拷贝程序到PATH里的某个路径下，或者添加程序路径到PATH变量里
//注：对于这里两个ls其实并不冲突，第一个表示程序的名称，第二个表示如何通过参数列表使用程序（使用时需要带上名称）
char* const MY_Env[]={
    "MYENV=hello linux",NULL
}
execle("./mycmd","mycmd",NULL,MY_Env); 
//注：对于不是当前环境变量，需要自己组装，或者将添加到当前环境变量里
char* const MY_acgv[]={
    "ls",
    ,"-l"
    ,"-a"
    ,"-i"
    ,NULL
}
execv("/user/bin/ls",MY_acgv); 
//注：v表示数组的形式传入参数列表
execvp("ls",MY_acgv); 
execve("/user/bin/ls",MY_acgv,env);
  • 示例：替换程序为mycmd
test_exec.c:
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<wait.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        //child
        printf("I am child :pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());
        execl("./mycmd","mycmd",NULL);   
        exit(1);
    }
    printf("I am father:pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());
    int status=0;
    pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
    if(ret>0&&WIFEXITED(status))
    {
        printf("wait for id:%d eixt code:%d\n",id,WEXITSTATUS(status));
    }
    else if(ret>0)
    {
        printf("eixt error sign:%d codedump:%d\n",status&0x7F,(status>>7)&1);
    }
    return 0;
}
mycmd.c:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    for(int i =0; i < 10; i ++)
        printf("cmd: %d\n", i);
    
    printf("MYENV: %s", getenv("MYENV"));
    return 0;
}
Makefile:
.PHONY:all
all: exec_cmd  mycmd
    
exec_cmd:exec_cmd.c
	gcc -o $@ $^
mycmd:mycmd.c
	gcc -o $@ $^ -std=c99

.PHONY:clean
clean:
	rm -f exec_cmd mycmd
  • 结果：
image-20220306090333159

注：本质上只有execve是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用execve（在系统调用上的一个封装），所以execve在man手册 第2节，其它函数在man手册第3节

  • 示图：
image-20220304114248068

注：对于软件或者程序执行，要预先将存在磁盘里的软件或者程序加载到CPU上，而我们也可以将exec系列函数看作是一种特殊的加载器

五、实现简易shell

  • shell视角执行：

shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序并等待这个进程结束，再进行新的输入读取

  • 注意：

  1. 对于shell来说作为命令行解释器，执行命令需要将执行结果给用户看到，这时候就需要子进程执行，让子进程的结果返回，即父进程等待回收子进程

  2. 但是对于一些内建命令则需要shell自己执行，例如执行cd …返回上层目录，我们希望的并不是子进程返回上层目录，所以需要shell自己执行

  • 具体流程:

  1. 获取命令行

  2. 解析命令行

  3. 建立一个子进程（fork）

  4. 替换子进程（execvp）

  5. 父进程等待子进程退出（wait）

  • 示图：
image-20220304114325672

注：根据这些思路，和我们前面的学的技术，就可以自己来实现一个shell了

  • 实现代码：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <wait.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX 128
#define SIZE 32

char cmd_line[MAX];//保存获取输入
char* cmd_parse[SIZE];//命令选项

int main()
{
    //不断执行
    while(1)
    {
        memset(cmd_line,0,sizeof(cmd_line));//清空数据
        printf("[zgj@myhost my_mini_shell]$ ");//显示词条
        fflush(stdout);//强制刷新

        if(fgets(cmd_line,sizeof(cmd_line)-1,stdin))//获取数据
        {
            //获取成功，设置结束符
            cmd_line[strlen(cmd_line)-1]='\0';//注意这里的下标需要减一，因为最后一个接收到的是回车符\n
            //切分命令选项
            int index=0;
            cmd_parse[index]=strtok(cmd_line," ");
            while(cmd_parse[index]!=NULL)
            {
                index++;
                cmd_parse[index]=strtok(NULL," ");
            }
            //分析指令
            if(strcmp(cmd_parse[0],"cd")==0)
            {
                if(chdir(cmd_parse[1])==0)
                    continue;
            }
            else//非内置命令，子进程执行
            {
                pid_t id=fork();
                if(id==0)
                {
                    //child
                    execvp(cmd_parse[0],cmd_parse);
                    exit(1);
                }
                //father
                int status=0;
                pid_t ret=waitpid(-1,&status,0);
                if(ret>0&&WIFEXITED(status))
                {
                    printf("exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

效果：

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