【Linux】深入理解进程控制：从创建到终止和进程等待

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文章目录

进程创建
- fork函数
- 如何用fork函数创建子进程
- 写实拷贝
进程终止
- 错误信息
- exit
- _exit
进程等待
- wait
- waitpid
总结

进程创建

fork函数

fork 函数是 Unix/Linux 系统中用于创建新进程的系统调用。调用 fork 后，当前进程（父进程）会被复制，创建出一个新的进程（子进程）。
fork函数特点：

返回值：
- 在父进程中，fork 返回子进程的 PID（进程ID）。
- 在子进程中，fork 返回 0。
- 如果发生错误，fork 返回 -1，并且不会创建新进程。
进程资源：
- 父进程和子进程拥有相同的代码和数据段，但各自的进程空间是独立的。
- 子进程继承父进程的文件描述符等资源，但文件描述符的状态（如文件指针位置）是共享的。
执行顺序：
- 父进程和子进程可以并发执行，执行顺序不固定，取决于操作系统的调度策略。

如何用fork函数创建子进程

我们写一个简单的代码观察子进程的创建：

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{pid_t id=fork();while(1);return 0;
}

在这里插入图片描述
可以看见子进程已经创建。

写实拷贝

“写实拷贝”是一种优化技术，常用于内存管理，特别是在进程创建和资源共享的场景中。其基本原理是：在创建新进程时，父进程和子进程共享相同的内存页，直到其中一个进程尝试修改这些内存页时，系统才会为该进程创建一个独立的副本，从而避免不必要的内存复制，提高系统性能。

当子进程创建之后，子进程以父进程的PCB为模版，创建自己的PCB，然后指向同一块资源，但是当父进程或者子进程对对应资源进行修改的时候，会发生写实拷贝。

在这里插入图片描述
原本数据块指向同一块区域的父子进程会指向不同区域。

进程终止

进程终止的常用方法：

通过main函数return
exit
_exit

异常退出：
Ctrl+c 信号终止

每个进程退出的时候都是有退出码的，我们来验证一下：
我们写一个简单的代码：

#include<stdio.h>
int main()
{return 10;
}

用命令查看上一次退出码：
在这里插入图片描述

可以看见退出码是10，我们再次查看一遍：
在这里插入图片描述
可以看见再次查看一遍退出信息就变成了0了，这是为什么呢？----原因就是因为我们使用的上一条命令也是一个进程，因为Linux的命令都是用C语言写的，通常运行成功都是会返回0的，所以这里查看最近一个程序的退出信息时就变成0了。
但是为什么返回0就是成功非零就是失败呢？----因为不同的数字代表不同的错误信息，系统提供了一批错误码来控制。

错误信息

在C语言中我们通常用一个全局变量来代表最近一个进程的错误码：
在这里插入图片描述
当我们创建子进程的时候也有创建失败的时候，所以当创建失败时，我们可以利用errno将错误信息打出，然后返回错误码给父进程。

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
int main()
{pid_t id=fork();if(id<0){printf("error code:%d.errstring:%s\n",errno,strerror(errno));return errno;}return 0;
}

我们来看看错误码的范围：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int i=0;for(i=0;i<200;i++){printf("errno:%d,errstring:%s\n",i,strerror(i));}return 0;
}

在这里插入图片描述
通过上面这个简单的程序我们可以知道错误码的最大值是133。

前面一些都是比较熟悉的错误码，操作不被允许啊，文件找不到啊，还有没有这个进程啊之类的。
比如：

这个的错误码就是2。
还有：

这个的错误码并不是3，是因为kill杀死这个进程失败了，返回1，错误码输出的就是1了。

exit

exit在程序的任何地方表示进程结束。

_exit

_exit和exit相同，唯一不同的是exit不是系统调用，而_exit是系统调用，exit内部是用系统调用封装的。

进程等待

在这里插入图片描述
关于进程等待的三个函数，我们先从第一个函数说起：

wait

wait 函数在 Unix 和 Linux 系统中用于让父进程等待其子进程结束，并收集子进程的退出状态。这个函数在进程控制中尤为重要，因为它允许父进程在子进程完成之前暂停执行，避免“僵尸进程”的出现。
一般而言父进程创建子进程就需要等待子进程，子进程结束之后将子进程的僵尸状态回收掉。
用一段代码来展示一下这个函数的用法：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){while(1){printf("我是子进程,我是pid是%d\n",getpid());sleep(1);}}else{sleep(3);pid_t rid=wait(NULL);if(rid>0)printf("sub process wait success,sub process pid is:%d\n",rid);while(1){printf("我是父进程，我的pid是%d\n",getpid());sleep(1);}}return 0;
}

可以看见这里子进程一直运行，父进程一直是阻塞状态，一直在等待子进程结束，回收子进程。
在这里插入图片描述
我们手动杀死一下子进程。

可以看见回收成功并且返回了子进程的pid。
这里子进程结束也可能是异常结束，结束分为几种情况：

代码跑完了，结果是对的，return 0
代码跑完了，结果是错的，return !0
进程异常了

前两种很容易理解，第三种异常情况，假如我们有一个指向nullptr的指针，我们对这个指针进行操作，虚拟地址转化到物理地址的过程中就会出现异常访问，所以这里系统可能会直接将进程杀死保护物理内存。（这里系统其实是释放信号，将进程杀死的）
我们来看看有哪些信号吧：
在这里插入图片描述
这里有很多信号，几种常见的就是下面几种：

当我们异常访问的时候会出现段错误，当我们1/0的时候会出现浮点数错误。
我们用代码来掩饰两个错误的信号：
首先在写代码之前，我们要知道退出信息
在这里插入图片描述
要知道退出信息我们就要知道一个接口，这个接口就是：

waitpid

在这里插入图片描述
第一个参数pid表示等待某一个进程，当第一个参数大于零的时候是等待指定进程，当这个参数为-1的时候表示等待任意进程。
第二个参数表示退出信息，这个退出信息就是上面那个图，高八位是退出码，低七位是退出信号。

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
using namespace std;int main()
{pid_t id=fork();if(id < 0)//create fail{printf("errno code:%d,errstring:%s\n",errno,strerror(errno));}else if(id==0)//child{double result = 1/0;}else//parent{int signal=0;pid_t rid=waitpid(-1,&signal,0);if(rid>0){printf("等待成功，子进程的pid是%d,退出信号%d\n",rid,signal&0x7F);}else//wait fail{//printf fail informationprintf("wait sub process fail,exit Signal:%d\n",signal&0x7F);}}return 0;
}

可以看到这里退出信号对比上面的信号表应该是8。
在这里插入图片描述
这里可以看见对应的情况也是8.
除了通过退出信息来获取退出码和退出信号还可以通过C语言库中的宏来取出退出信号和退出码。

我们只需要通过取出退出信息，用宏来计算退出信号和退出码即可。
我们来说说waitpid的第三个参数options，第三个参数options表示的是等待时父进程的状态，是阻塞等待还是非阻塞等待，意思就是是一直等待，等子进程结束之后再完成父进程的任务，还是边等待边完成自己的任务。
options的参数：

0表示阻塞等待
WNOHANG表示非阻塞等待
非阻塞等待状态样例代码：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
using namespace std;
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0)//child{int count=5;while(count--){cout<<"我是子进程"<<",我的pid是"<<getpid()<<endl;sleep(1);}exit(1);}while(true){int status = 0;pid_t rid =waitpid(-1,&status,WNOHANG);if(rid>0){cout<<"wait success"<<endl;break;}else if(rid<0){cout<<"wait fail"<<endl;cout<<"exit code:"<<((status>>8)&0xFF)<<" exit Signal:"<<(status&0x7F);break;}else//parent do {cout<<"我是父进程，我的pid是"<<getpid()<<endl;sleep(1);}}return 0;
}