Linux系统进程控制

目录

一、进程创建

1.进程创建过程

2.写时拷贝

3.fork函数的两种常规用法

二、进程终止

1.进程终止的三种情况

2.进程退出信息

（1）退出码

（2）退出信号

3.进程终止的方式

三、进程等待

1.为什么要有进程等待？

2.进程等待方法

（1）wait函数

（2）waitpid函数

四、进程替换

1.进程替换原理

2.进程替换函数

（1）execl函数

（2）execlp函数

（3）execle函数

（4） execv函数

（5）execvp函数

（6）execve函数

 （7）execvpe函数

补充：

一、进程创建

进程创建即使用fork函数创建子进程，fork函数的返回值有三种情况：

对于子进程返回0；对于父进程返回新创建子进程pid；对于进程创建失败返回-1

1.进程创建过程

调用fork函数后，操作系统为子进程开辟一份新空间，将父进程的部分内核数据结构（task_struct，mm_struct，页表）拷贝给子进程，添加子进程到系统调度队列中，fork函数返回，系统开始调度进程。

注意：进程创建一定是先创建其内核数据结构，再加载其代码和数据

2.写时拷贝

子进程会继承父进程的数据，父子进程共用一份数据，当子进程要修改数据时，为了不影响父进程，因此要发生写时拷贝：即将父进程的数据重新拷贝一份，子进程再进行修改。

3.fork函数的两种常规用法
  1. 使用fork函数创建子进程，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生成请求，生成子进程处理请求
  2. 使用fork函数创建子进程，再调用exec函数，使得子进程执行其他进程（进程替换）

二、进程终止

进程终止就是要释放进程加载到内存中的代码和数据，以及进程的内核数据结构。

进程终止通常是先释放其代码和数据，此时进程处于僵尸状态，等待其退出信息被父进程读取后再释放其内核数据结构。

1.进程终止的三种情况

一个进程终止，有三种情况：

  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

每种情况进程终止时都会返回退出信息

2.进程退出信息

进程退出信息包括：退出码和退出信号

（1）退出码

代码执行完毕，进程会返回退出码，有0和非0，0表示运行结果正确，非0值不同的值有不同的错误描述。使用echo $? 命令查看最近一个子进程的退出码

我们写程序时也可以自定义退出码，不使用系统规定的退出码

#include <stdio.h>
// 自定义退出码
enum{Success=0,Div_Zero,Mod_Zero
};
// 退出描述
const char* Exit_Description(int Exit_Code)
{switch(Exit_Code){case Success:return "Success!";case Div_Zero:return "div zero!";case Mod_Zero:return "mod zero!";default:return "unknow error!";}
}
// 默认退出码
int Exit_Code=Success;
// 除法函数
int Div(int x, int y) {if (y == 0) { // 除数为0Exit_Code = Div_Zero;return -1;} else {return x / y;}
}
int main() {int result = Div(10, 100);printf("result: %d [%s]\n", result, Exit_Description(Exit_Code));result = Div(10, 0);printf("result: %d [%s]\n", result, Exit_Description(Exit_Code));return 0;
}
//result: 0 [Success!]
//result: -1 [div zero!]
（2）退出信号

当进程运行异常终止时，会返回退出信号，退出码就无意义了

使用kill -l命令查看所有的退出信号

3.进程终止的方式
  1. main函数return
  2. exit函数
  3. _exit函数

void exit(int status)
头文件：#include <unistd.h>   status是自定义的退出码

void _exit(int status);
头文件：#include <unistd.h>   status是自定义的退出码 

_exit函数是系统调用指令，exit函数是库函数，不管在任何位置调用_exit或者exit，都表示整个进程终止了。exit库函数底层就是调用_exit指令实现的。

exit终止进程时会冲刷缓冲区，_exit终止进程时不会冲刷缓冲区

三、进程等待

1.为什么要有进程等待？

父进程要通过等待，回收子进程资源（僵尸进程），获取子进程退出信息

2.进程等待方法

进程等待通过wait和waitpid函数实现

（1）wait函数

pid_t wait(int*status)

头文件：#include <sys/types.h>  #include <sys/wait.h>

等待最近子进程返回，等待成功返回被等待进程pid，等待失败返回-1；

status为输出型参数，用于获取子进程的退出信息，不关心则可设置为NULL。status

是一个32位整型数，使用其低16位来保存退出信息。其中，0~7存储退出信号，8~15存储退出码

(status>>8)&0xFF即为退出码，status&0x7F即为退出信号

wait函数代码演示

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
void ChildRun()
{int i=0;for(i=0;i<5;++i){printf("Child process is running!\n");}
}
int main()
{pid_t id=fork();//子进程if(id==0){                                                                             ChildRun();                                 exit(0);//子进程退出      }              //父进程                                   int status=0;                   pid_t rid=wait(&status);if(rid>0)                           {                  printf("Father process wait success! status:%d, child quit code:%d, child quit signal:%d\n",status,(status>>8)&0xFF,status&0x7F);}                                                              else                                                    {                                                     printf("Father process wait fialed!\n");                                                                                                                                       }                                                  return 0;                                  
}
（2）waitpid函数

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
头文件和wait函数相同，pid是等待指定进程返回，status是输出型参数，options用于确定阻塞等待还是非阻塞等待

status输出型参数除了可以使用位运算获取退出码和退出信号，还可以使用WIFEXITED和WEXITSTATUS

WIFEXITED(status)：查看进程是否正常终止（正常终止返回真，异常终止返回假）

WEXITSTATUS(status)：若WIFEXITED非零（进程正常终止），则提取进程退出码

options参数可以使用WNOHANG，来实现非阻塞等待（在等待的过程中，父进程可以去完成其他任务）

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。

如果pid传入-1，options传入0则与wait函数等效

waitpid函数实现非阻塞等待代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>void ChildRun()
{int i=0;for(i=0;i<5;++i){printf("Child process is running!\n");}
}void DoOtherthing()
{printf("Child process is not end! Father process is do other thing...\n");
}
int main()
{pid_t id = fork();if (id < 0){printf("fork error!\n"); // 子进程创建失败}else if (id == 0) // 子进程执行{ChildRun();exit(123);}else // 父进程执行{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, WNOHANG); // 非阻塞等待// 子进程未终止while (rid == 0){DoOtherthing(); // 父进程做其他事情rid = waitpid(id, &status, WNOHANG);}// 子进程等待失败if (rid == -1){printf("wait failed!\n");}else // 子进程等待成功{if (WIFEXITED(status)) // 子进程正常终止{printf("wait success! child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));}else // 子进程异常终止{printf("wait success! child abnormal exit\n");}}}return 0;
}

四、进程替换

1.进程替换原理

用fork函数创建子进程后，父子进程执行的是相同的程序。当子进程调用exec函数，子进程要写发生代码和数据的写时拷贝，然后子进程的代码和数据会被新程序的代码和数据替换，这个过程中并没有创建新的进程。

2.进程替换函数
（1）execl函数

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

execl中的 l 表示路径，path是参数路径，arg参数传参只需要像Linux命令一样带上选项即可，其最后一个选项必须是NULL（本质就是命令行参数）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t id = fork();if (id == 0) // 子进程{execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", "--color", NULL);exit(1);}else if (id > 0) // 父进程{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid > 0){printf("father process wait success! child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("father process wait failed!\n");}}else{printf("fork failed!\n");}
}
（2）execlp函数

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
execlp函数和execl函数只有第一个参数不同，file参数表示只需要传文件名，不需要传路径，系统会自动在环境变量PATH保存的路径中查找文件

execl("ls", "ls", "-l", "-a", "--color", NULL);
（3）execle函数

int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);

execle函数比execl函数多了第三个参数，参数envp用于接收环境变量（可以是自定义的环境变量，也可以是bash父进程的环境变量）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t id = fork();if (id == 0) // 子进程{//传入自定义环境变量char* const envp[] = {(char*)"HAHA=111", (char*)"HEHE=222", NULL};execle("/home/zz/240927/test1cpp.exe", "test1cpp.exe", NULL, envp);//传入父进程的环境变量// extern char** environ;// execle("/home/zz/240927/test1cpp.exe", "test1cpp.exe", NULL, environ); }else if (id > 0) // 父进程{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid == -1)printf("wait failed\n");else{if (WIFEXITED(status))printf("wait success! child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));elseprintf("wait success! child abnormal exit\n");}}else{printf("fork failed\n");exit(-1);}return 0;
}
（4） execv函数

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

execv中的 v 表示容器，path是参数路径，argv是将命令选项都放入其中

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t id = fork();if (id == 0) // 子进程{char* const argv[] = {(char*) "ls",(char*) "-l",(char*) "-a",(char*) "--color",NULL};execv("/usr/bin/ls", argv);exit(1);}else if (id > 0) // 父进程{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid > 0){printf("father process wait success! child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("father process wait failed!\n");}}else{printf("fork failed!\n");}
}
（5）execvp函数

int execvp(const char *file, char *const argv[]);
同execlp函数，不需要传路径，只要传文件名即可

char* const argv[] = {(char*) "ls",(char*) "-l",(char*) "-a",(char*) "--color",NULL
};
execv("ls", argv);
（6）execve函数

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

execve函数比execv函数多了第三个参数envp，用于接收环境变量

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t id = fork();if (id == 0) // 子进程{char* const argv[] = {(char*)"test1cpp.exe", (char*)"-a", (char*)"-b", (char*)"-c", NULL};char* const envp[] = {(char*)"HAHA=111", (char*)"HEHE=222", NULL};execve("/home/zz/240927/test1cpp.exe", argv, envp);// extern char** environ;// execle("/home/zz/240927/test1cpp.exe", "test1cpp.exe", NULL, environ); }else if (id > 0) // 父进程{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid == -1)printf("wait failed\n");else{if (WIFEXITED(status))printf("wait success! child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));elseprintf("wait success! child abnormal exit\n");}}else{printf("fork failed\n");exit(-1);}return 0;
}
 （7）execvpe函数

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

根据上述所有函数，execvpe函数很容易能理解，此处不做代码演示

补充：

execve既是一个系统调用，也是一个C语言库函数，其他的所有函数都是基于execve封装实现的

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