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【Linux】 Linux 进程控制

梦见你的名字  论坛元老 | 3 天前 | 显示全部楼层 | 阅读模式
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主题 1784|帖子 1784|积分 5352

参考博客：https://blog.csdn.net/sjsjnsjnn/article/details/125581083
一、进程创建

1.1 fork()函数



  • 在linux中fork函数黑白常重要的函数，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。
  • 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
    • 将父进程部门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，开始由调度器调度

1.2 fork函数的返回值

返回值：

  • 给父进程返回子进程的PID；
  • 给子进程返回0；
  • 子进程创建失败会返回-1；
  1. void test1(){
  2.     int ret = fork();
  3.     std::cout << "pid = " << getpid() << ", fork()  = " << ret << std::endl;
  4. }
复制代码


  • 参照运行结果可以看出，给父进程返回的值为子进程的pid，而子进程返回的是0

创建子进程之后，也就是调用fork()函数之后，新创建的进程才开始实行之后的操作，如下图所示

fork之前父进程独立实行，fork之后，父子两个实行流分别实行。留意，fork之后，谁先实行完全由调度器决定。
1.3 写时拷贝



  • 通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当恣意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图：



  • 在修改内容之前，父子进程的数据和代码都是共享的
  • 当恣意一方试图写入时，操作系统会辨认到缺页停止
  • 所谓的缺页停止：是指计算机在实行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机制止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处置惩罚，处置惩罚竣事后再返回现行程序的间断处，继续实行原程序。
  • 那么，操作系统重新分配一块空间，将旧空间的数据拷贝下来，此时操作系统也会重新映射页表。
1.4 fork函数通例用法



  • 一个父进程希望复制本身，使父子进程同时实行差别的代码段。比方，父进程等候客户端请求，天生子进程来处置惩罚请求。
  • 一个进程要实行一个差别的程序。比方子进程从fork返回后，调用exec类函数。
1.5 fork函数调用失败的原因



  • 系统中有太多的进程，导致内存严重不敷，无法加载数据
  • 现实用户的进程数凌驾了限制
二、进程终止

2.1 进程的退进场景以及退出码

进程一旦退出，就会存在以下三种情况：

  • 代码运行完毕，结果精确
  • 代码运行完毕，结果不精确
  • 代码异常终止


  • 这三种情况，作为用户怎样才气知道某个进程是以什么样的情势退出的呢？那么就有了退出码的概念。
  • Linux 系统中，程序可以在实行终止后通报值给其父进程，这个值被称为退出码。
  • 用户就可以通过相应的退出码，对进程退出状态做以判定
  • 比方，我们的main函数，每次都会写上 return 0; 其实这就是进程的退出码。
我们可以通过 echo $?
来获取最近一次进程退出时的退出码。
  1. echo $?
复制代码


  • 上次进程退出是正常退出，因此结果为0
  • 对于每个指令，对应的都是一个个进程，我们输错指令也会有错误的进程返回值，比如下面输入lsss，返回值为127

2.2 查询返回值的寄义

可以通过strerror()函数来检察对应返回值的寄义
  1. void test2(){
  2.     for(int i = 0;i<140;++i){
  3.         std::cout << "error[" << i << "] = " << strerror(i) << std::endl;
  4.     }
  5. }
复制代码
现实上只有133以内的才是有寄义的，打印的结果如下：


三、进程常见的退出方法

3.1 return退出



  • 刚刚我们已经介绍过main函数是通过return退出进程，须要留意以其他函数（非main函数）return进行区分，非main函数的return是函数返回，而main函数的return是进程退出。
3.2 exit( )退出



  • exit可以在程序的任何位置退出，exit退出会刷新缓冲区，和return一样
  1. void test3(){
  2.     std::cout << "test3 exit(100)" <<  std::endl;
  3.     sleep(1);
  4.     exit(100);
  5. }
复制代码


  • 检察进程的返回值，eixt(100)退出的返回值就为100

3.3 _exit退出



  • 除了上面两种方法来退出进程，我们还可以使用_exit函数来使进程退出。
  • _exit也是可以在代码中的任何位置终止进程，但是_exit函数终止进程时，是逼迫终止，不会进行进程的后续收尾工作，如：刷新缓冲区
exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

  • 实行用户通过 atexit或on_exit定义的整理函数。
  • 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
  • 调用_exit
3.4 return、exit 和 _exit 的区别


  • _exit()实行后会立即返回给内核，而exit()要先实行一些清除操作，然后将控制权交给内核。
  • 调用_exit()函数时，其会关闭进程所有的文件描述符，整理内存，以及其他一些内核整理函数，但不会刷新流（stdin 、stdout、stderr）。exit()函数是在_exit()函数上的一个封装，它会调用_exit，并在调用之前先刷新流。
  • return是一种更常见的退出进程方法。实行return（num）等同于实行exit（num）,由于调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数。

3.5 异常退出



  • 以上是正常退出的情况，和进程的退出码有关；
  • 对于进程的异常退出，就是程序实行了一半后由于地点访问错误、主动终止进程（比如ctrl+c大概kill，也有对应的错误码，这个错误码现实上是包含了进程的终止信号，下面会讲解
四、进程等候

4.1 进程等候的须要性


  • 子进程退出，父进程如果不获取到子进程的退出信息，就可能造成 僵尸进程 的题目，进而造成内存走漏。
  • 进程一旦变成僵尸状态，所谓的 kill -9 也无能为力，由于谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
  • 父进程派给子进程的任务完成的如何，我们须要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，大概是否正常退出。
  • 父进程通过进程等候的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息。
4.2 进程等候方法

4.2.1 wait方法

函数原型以及所需头文件
  1. #include <sys/types.h>
  2. #include <sys/wait.h>
  3. pid_t wait(int *status);
复制代码


  • 返回值：等候成功则返回等候进程的PID，等候失败，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
  • 下面的代码演示了创建一个子进程，子进程实行对应的任务，然后自动退出，父进程等候子进程竣事，而且回收子进程的内存
  1. void test4(){
  2.     pid_t id = fork();
  3.     if(id == 0){
  4.         for(int i =0 ;i< 5 ; ++i){
  5.             std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
  6.             sleep(1);
  7.         }
  8.         exit(0);
  9.     }
  10.     else{
  11.         sleep(10);
  12.         std::cout << "father wait begin..." << std::endl;
  13.         pid_t cur = wait(NULL);
  14.         if(cur > 0){
  15.             std::cout << "father wait: "<< cur << " sucess" << std::endl;
  16.         }
  17.         else{
  18.             std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
  19.         }
  20.         sleep(10);
  21.     }
  22. }
复制代码


  • 使用下面的shell脚原来监听对应的进程状态
  1. while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep mytest | grep -v grep; sleep 1; echo "**********************"; done
复制代码


  • 可以发现，在运行竣事后，子进程退出，然后被父进程回收了，最后父进程也退出了

运行结果

4.2.2 waitpid方法

函数原型以及所需头文件
  1. #include <sys/types.h>
  2. #include <sys/wait.h>
  4. pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
复制代码
返回值：


  • 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
  • 如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；
  • 如果调用中堕落,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,等候任一个子进程。与wait等效。
    Pid>0.等候其进程ID与pid相称的子进程。
  • status:
    WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（检察进程是否是正常退出）
    WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（检察进程的退出码）
  • options:
    WNOHANG: 若pid指定的子进程没有竣事，则waitpid()函数返回0，不予以等候。若正常竣事，则返回该子进程的PID。
下面的代码为等候恣意一个子进程后，回收子进程，这里options指定为0，将会阻塞在此
  1. void test5()
  2. {
  3.     pid_t id = fork();
  4.     if (id == 0)
  5.     {
  6.         for (int i = 0; i < 5; ++i)
  7.         {
  8.             std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
  9.             sleep(1);
  10.         }
  11.         exit(100);
  12.     }
  13.     sleep(10);
  14.     std::cout << "father wait begin..." << std::endl;
  15.     // pid_t cur = wait(NULL);
  16.     int status = 0;
  17.     pid_t cur = waitpid(-1, &status, 0); // 等待任意一个子进程
  19.     if (cur > 0)
  20.     {
  21.         std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, WIFEXITED(status) = " << WIFEXITED(status)
  22.          <<",WEXITSTATUS(status) = "<< WEXITSTATUS(status) <<  std::endl;
  23.     }
  24.     else
  25.     {
  26.         std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
  27.     }
  28.     sleep(10);
  29. }
复制代码


  • 运行结果如下，通过WIFEXITED宏和WEXITSTATUS可以检察子进程是否正常退出以及退出码是多少

4.2.3 获取子进程status

4.2.3.1 什么是status

   int status：它是一种输出型的参数*
所谓获取子进程的status，就是获取子进程退出时的退出信息；
起首，在子进程中分别用exit(0)和exit(10)来停止子进程，父进程获取status值，判定进程的退出状态。
  4.2.3.2 status的构成



  • status是由32个比特位构成的一个整数，目前阶段我们只使用低16个位来表现进程退出的结果
  • 如下图所示，就是status低16位的表现图；
  1. status exit_code = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
  2. status exit_code = status7 & 0x7F;       //退出信号
复制代码



  • 进程正常退出有两种，与退出码有关，异常退出与信号有关
  • 以是这里我们就须要获取到两组信息：退出码与信号
  • 如果没有收到信号，就表明我们所实行的代码是正常跑完的，然后在判定进程的退出码，毕竟是何原因使进程竣事的
  • 反之则是异常退出，也就不须要关心退出码了
  1. void test6()
  2. {
  3.     pid_t id = fork();
  4.     if (id == 0)
  5.     {
  6.         for (int i = 0; i < 5; ++i)
  7.         {
  8.             std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
  9.             sleep(1);
  10.         }
  11.         exit(100);
  12.     }
  13.     sleep(10);
  14.     std::cout << "father wait begin..." << std::endl;
  15.     // pid_t cur = wait(NULL);
  16.     int status = 0;
  17.     pid_t cur = waitpid(-1, &status, 0); // 等待任意一个子进程
  19.     if (cur > 0)
  20.     {
  21.         std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, status = " << status << std::endl;
  22.         std::cout << "exit_code = " << ((status >> 8)& 0xff) << ", exit_signal = " <<(status & 0x7f) << std::endl;
  23.     }
  24.     else
  25.     {
  26.         std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
  27.     }
  28.     sleep(10);
  29. }
复制代码


  • 正常退出，这里退出码为100，终止信号可以忽略



  • 在进程运行时使用kill -9下令终止进程，可以发现终止信号为9



  • 查询shell指令，发现9对应的是SIGKILL
  1. kill -l
复制代码



  • 这里可以通过WIFEXITED宏和WEXITSTATUS宏检察是否是正常退出，以及正常退出的返回值
  1. pid_t cur = waitpid(-1, &status, 0); // 等待任意一个子进程
  3. if (cur > 0)
  4. {
  5.         std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, WIFEXITED(status) = " << WIFEXITED(status)
  6.          <<",WEXITSTATUS(status) = "<< WEXITSTATUS(status) <<  std::endl;
  7. }
  8. else
  9. {
  10.         std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
  11. }
复制代码
4.2.3.3 阻塞等候与非阻塞等候



  • 这里我们所讲的阻塞等候和非阻塞等候，其实就是waitpid函数的第三个参数，我们之前并未提及，直接给的是0，这种是默认举动，阻塞等候；阻塞等候：父进程一直在等候子进程，什么事都不干，直到子进程正常退出。
  • 如果设置为WNOHANG，表现的黑白阻塞等候方式。非阻塞等候：父进程的PCB由运行队列转变为等候队列，直达子进程竣事，操作系统获取到子进程退出的信号时，再将父进程从等候队列中调度到运行队列，由父进程去获取子进程的退出码以及退出信号。
通过判定返回值来检察是否子进程已经竣事了，如果没有竣事就继续干父进程本身的任务，否则就回收子进程
  1. void test7()
  2. {
  3.     pid_t id = fork();
  4.     if (id == 0)
  5.     {
  6.         for (int i = 0; i < 10; ++i)
  7.         {
  8.             std::cout << "child id = " << getpid() << ", i = " << i << std::endl;
  9.             sleep(1);
  10.         }
  11.         exit(100);
  12.     }
  14.     std::cout << "father wait begin..." << std::endl;
  16.     while (true)
  17.     {
  18.         int status = 0;
  19.         pid_t cur = waitpid(-1, &status,WNOHANG); // WNOHANG = 1,非阻塞
  21.         if (cur > 0)
  22.         {
  23.             std::cout << "father wait: " << cur << " sucess, status = " << status << std::endl;
  24.             std::cout << "exit_code = " << ((status >> 8) & 0xff) << ", exit_signal = " << (status & 0x7f) << std::endl;
  25.             break;
  26.         }
  27.         else if(cur == 0)
  28.         {
  29.             std::cout << "do father process things" << std::endl;
  30.             sleep(1);
  31.         }
  32.         else{
  33.             std::cout << "father wait failed!" << std::endl;
  34.             break;
  35.         }
  36.     }
  37. }
复制代码
运行结果如下

五、进程程序更换

5.1 更换原理



  • 用fork创建子进程后实行的是和父进程相同的程序(但有可能实行差别的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以实行另一个程序。
  • 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更换,重新程序的启动例程开始实行。
  • 调用exec并不创建新进程,以是调用exec前后该进程的id并未改变。



  • 从上图可以看出，进程程序更换前后，进程本身并没有发生任何变化，只是所实行的代码发什么改变。
  • 如果子进程进行程序更换，不会影响父进程的代码和数据吗？起首进程是具有独立性的，虽然子进程共享父进程的代码和数据，但是由于进行了函数更换，发生了代码和数据的修改，此时就会进行写时拷贝。所有子进程进行程序更换时，并不会影响父进程的代码和数据。
5.2 更换函数

有六种以exec开头的函数,统称exec函数: 他们所需的头文件均为 #include <unistd.h>
execl函数
  1. int execl(const char *path, const char *arg, ...);
  2. // path --- 可执行程序的路径
  3. // arg --- 可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾
  4. // 例如：
  5. execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
复制代码
execlp函数
  1. int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
  2. // file --- 可执行程序的名字
  3. // arg --- 可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾
  4. // 例如：
  5. execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
复制代码
execle函数
  1. int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
  2. // path --- 可执行程序的路径
  3. // arg ---  可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾
  4. // envp --- 自己维护的环境变量
  6. // 例如：
  7. char* envp[] = { "Myval=12345", NULL };
  8. execle("./myexe", "myexe", NULL, Myval);
复制代码
execv函数
  1. int execv(const char *path, char *const argv[]);
  2. // path --- 你要执行程序的路径
  3. // argv --- 指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾
  5. // 例如：
  6. char* argv[] = { "ls", "-a", "-l", NULL };
  7. execv("/usr/bin/ls", argv);
复制代码
execvp函数
  1. int execvp(const char *file, char *const argv[]);
  2. // file --- 你要执行程序的名字
  3. // argv --- 指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾
  5. // 例如：
  6. char* argv[] = { "ls", "-a", "-l", NULL };
  7. execvp("ls", argv);
复制代码
execve函数
  1. int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
  2. // file --- 你要执行程序的路径
  3. // argv --- 指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾
  4. // envp --- 自己维护的环境变量
  6. //例如：
  7. char* argv[] = { "mycmd", NULL };
  8. char* envp[] = { "Myval=12345", NULL };
  9. execve("./myexe", argv, envp);
复制代码
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实行,不再返回。
  • 如果调用堕落则返回-1
  • 以是exec函数只有堕落的返回值而没有成功的返回值。也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。
函数名参数格式是否带路径是否使用当前情况变量execl列表不是是execlp列表是是execle列表不是不是，须本身装情况变量execv数组不是是execvp数组是是execve数组不是不是，须本身装情况变量
  1. void test8(){
  2.     char *argv[] = {"ls","-a","-l",NULL};
  3.    
  4.     execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL); //可变参，NULL结尾
  6.     execv("/usr/bin/ls",argv); //字符串数组形式
  8.     execlp("ls","ls","-a","-l"); //文件名+可变参
  10.     execvp("ls",argv); //字符串数组形式
  12.     //可执行文件路径
  13.     char* argv_[] = {"./process-test","-test2",NULL};
  14.     char* env_[] = {NULL};
  15.     execvpe("./process-test",argv_,env_);
  17. }
复制代码

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) : 表现参数采用列表
  • v(vector) : 参数用数组
  • p(path) : 有p自动搜索情况变量PATH
  • e(env) : 表现本身维护情况变量
事实上，只有execve才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的execve，以是execve在man手册的第2节，而其它五个函数在man手册的第3节，也就是说其他五个函数现实上是对系统调用execve进行了封装，以满意差别用户的差别调用场景的。
下图为exec系列函数族之间的关系：

更多资料：https://github.com/0voice

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