[Linux]进程控制详解!!(创建、终止、等待、替换)

news/2024/2/27 21:53:59

        hello,大家好,这里是bang___bang_,在上两篇中我们讲解了进程的概念、状态和进程地址空间,本篇讲解进程的控制!!包含内容有进程创建、进程等待、进程替换、进程终止!!

附上前2篇文章链接:

Linux——操作系统进程详解!!(建议收藏细品!!)_bang___bang_的博客-CSDN博客

[Linux]环境变量 进程地址空间(虚拟内存与物理内存的关系)_bang___bang_的博客-CSDN博客

 

目录

 1️⃣计算机四个重要概念

2️⃣进程创建

🍙fork函数初识

🍙fork返回值

🍙fork调用失败原因

3️⃣进程终止

🍙进程终止的场景

🍙退出码

🍥查看退出码echo

🍥字符串格式查看错误信息strerror

🍥退出码讲解

🍙进程常见退出方法

🍥_exit函数——系统调用接口

🍥exit函数——C库函数

🍥return退出

4️⃣进程等待

🍙进程等待必要性

🍙进程等待的方法

🍥wait方法

🍥waitpid方法

5️⃣进程程序替换

🍙替换原理

🍙替换函数

🍥execl函数

🍥execv函数

🍥execlp函数

🍥execle函数

🍥execvp函数

🍥execvpe函数

🍥execve函数(系统调用)


1️⃣计算机四个重要概念

竞争性:系统进程数目众多,而CPU资源只有少量,甚至1个,所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务,更合理竞争相关资源,便具有了优先级

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

并行:多个进程在多个CPU下分别,同时进行运行,这称之为并行

并发:多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式,在一段时间之内,让多个进程都得以推进,称之为并发

2️⃣进程创建

fork创建子进程,操作系统都做了什么?

        fork创建子进程,系统多了一个进程。

        进程=内核数据结构+进程代码和数据!

🍙fork函数初识

  • 创建子进程:失败返回-1,成功返回子进程PID给父进程,0返回给子进程

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

        ★将父进程部分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,开始调度器调度

在进程详解篇,我提到过父子进程代码共享

那么有个问题:是父进程所有的代码子进程都共享呢?还是在fork函数之后的代码才共享?

代码共享猜想图

🌰写一段fork代码看看结果(提示:眼见不一定为实

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int num=0;int*p=&num;printf("Begin:pid:%d,&num:%p\n",getpid(),p);pid_t id=fork();if(id<0){perror("fork");}printf("After:pid:%d,fork return %d,&num:%p\n",getpid(),id,p);return 0;
}
fork验证结果图

根据结果我们发现Begin在子进程并没有执行,但这能表示子进程没有共享父进程的Begin代码吗?

答案是不是的!!!实际上子进程也共享到了父进程的Begin语句,只不过CPU中有个EPI寄存器,他保存了进程的上下文信息,使得子进程以为fork是他的开始,从fork语句后开始执行!!

实际代码共享图

创建子进程,给子进程分配对应的内核空间结构,必须子进程自己独有,因为进程具有独立性!理论上,子进程也要有自己的代码和数据!可是一般而言,我们创建的子进程没有加载的过程(代码和数据一般是从磁盘上加载到的程序),也就是说,子进程没有自己的代码和数据!所以,子进程只能“使用”父进程的代码和数据!

    代码:都是不可被写的,只能读取,所以父子共享!

    数据:可能被修改的,所以,必须分离!

🍙fork返回值

        ★子进程返回0

        ★父进程返回子进程的pid

        ★出错返回-1

为什么fork会有2个返回值?是因为写时拷贝!!

在进程地址空间中我有讲解,这里再简单讲解一下!

基于进程的独立性,父子进程的数据必须分离,但是对于只读的数据我们也进行拷贝的话,对内存太过于浪费,所以出现了一种新的技术:写时拷贝技术!

写时拷贝,是一种延时申请技术,可以提高整机内存的使用率。

写时拷贝

子进程执行读权限的时候,父子进程页表映射到同一物理内存,当执行写权限时,OS重新拷贝一份数据到物理内存上,同时子进程的页表断开原来的映射关系,映射到拷贝数据的物理地址。

🍙fork调用失败原因

        系统中有太多的进程

        ★实际用户的进程数超过了限制

3️⃣进程终止

进程终止时,操作系统做了什么?

答:释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码。本质:释放系统资源。

🍙进程终止的场景

        ✦代码运行完毕,结果正确

        ✦代码运行完毕,结果不正确

        ✦代码异常退出

🍙退出码

🍥查看退出码echo

//获取最近一个进程,执行完毕的退出码!
echo $?
echo示例图

问题:main函数返回值的意义是什么?为什么总是0?

并不是总是0,返回值是进程的退出码!0表示进程运行结果正确,非0表示进程运行结果错误。

返回值的意义:返回给上一级进程,用来评判该进程执行结果用的,可以忽略。让上层能根据程序的退出码定位代码出错的原因。非0值有无数个,不同的非0值就可以标识不同的错误原因!!从而给我们的程序在运行结束之后,结果不正确时,方便定位错误的原因细节!

🍥字符串格式查看错误信息strerror

为了方便我们查看对应的错误是什么,C库提供了一个函数strerror,将错误以字符串的形式打印

strerror结果

🍥退出码讲解

退出码在status参数中!

status并不是按照整数来整体使用的!而是按照bit位的方式,将32个bit位进行划分(位图)

status低16位

上图是status的低16位示意图。

次低8位,表示子进程退出的退出码。获取:(status&0xFF00)>>8
低7位,表示进程收到(操作系统)的信号(表示退出信号)。获取: status & 0x7F

系统提供了2个宏来获取退出码和退出信号:

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)
WIFEXITED(status)      //是否正常退出
WEXITSTATUS(status)    //若正常退出,获取退出码

使用:grep -ER 'xxxx' /usr/include 进行查找 

进程异常退出,或者崩溃,本质是操作系统通过发送信号杀掉了你的进程!!

🍙进程常见退出方法

 

🍥_exit函数——系统调用接口

参数:status 定义了进程的终止状态,父进程通过wait来获取该值。

🌰测试status次低8位作退出码:
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    int main()                                                                
{                                                                                                                                                               _exit(-1);                       
}    
status次低8位测试结果图

将status设为-1,补码为全1,但是只有8位,所以退出码显示为255(1111 1111)

🍥exit函数——C库函数

exit最后也会调用_exit,但在调用前还刷新了缓冲区。

🌰观察_exit和exit的区别:

/*_exit测试*/
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    int main()                                                                
{                                                                           printf("hello");                                                                                     _exit(0);                       
}/*exit测试*/ 
#include<stdio.h>    
#include<stdlib.h>    int main()                                                                
{                                                                           printf("hello");                                                                                     exit(0);                       
}
_exit和exit对比结果图

printf输出是对stdout标准输出文件写入,stdout文件的缓冲区刷新策略是行刷新,即遇到\n刷新!

测试中没有\n,也就不会刷新缓冲区,也就不会显示hello。

        但是通过结果图我们可以看到系统调用_exit没有打印,C库函数exit有打印,也就是说exit还刷新了缓冲区。

🍥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。

🌰return等同于执行exit

#include<stdio.h>    int main()    
{    printf("hello");    return 0;                                                                                            
}    
return测试图

现象和exit一样,main返回值当做exit的参数。

4️⃣进程等待

🍙进程等待必要性

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,进而造成内存泄漏。
进程一旦变成僵尸状态,kill -9 也无能为力,因为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,我们需要知道。
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方法

参数:输出型参数,获取子进程退出状态,不关心则可以设置为NULL

返回值:成功,返回被等待进程的pid;失败,则返回-1。

🌰wait系统接口的阻塞式测试:

不关心子进程退出状态

获取子进程退出状态

🍥waitpid方法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
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;
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。
status:输出型参数!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:默认为0,表示阻塞等待WNOHANG(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。若正常结束,则返回该子进程的ID。waitpid(pid,NULL,0)==wait(NULL)

🌰waitpid系统接口的阻塞式测试:

waitpid阻塞式测试

 结果与wait一致。

🌰 等待回收僵尸进程:

未等待

等待

🌰waitpid非阻塞式轮询检测测试:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>//非阻塞等待测试代码int main()
{pid_t id=fork();if(id==0){//子进程int cnt=5;while(cnt){printf("我是子进程:%d\n",cnt--);sleep(1);}exit(11); //退出码11,仅用来测试}else{int quit=0;while(!quit){int status=0;pid_t res=waitpid(-1,&status,WNOHANG);//以非阻塞方式等待if(res>0){//等待成功&&子进程退出printf("等待子进程退出成功,退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));quit=1;}else if(res==0){//等待成功&&但子进程并未退出printf("子进程还在运行中,暂时还没有退出,父进程可以再等一等,处理其他事情\n");}else {//等待失败printf("wait失败!\n");quit=1;}sleep(1);}}
}

问题:父进程通过wait/waitpid可以拿到子进程的退出结果,为什么要用wait/waitpid函数呢?直接全局变量不行吗?

答:不行,因为进程具有独立性,数据就要发生写实拷贝,父进程无法拿到正确的退出结果。

问题:既然进程是具有独立性的,进程退出码,不也是子进程的数据吗?父进程又凭什么拿到呢?

答:僵尸进程:至少要保留该进程的PCB信息!task_struct里面保留了任何进程退出时的退出结果信息!!

wait/waitpid本质是读取子进程的task_struct结构中的(退出码:exit_code,退出信号exit_signal)

5️⃣进程程序替换

之前:fork()之后,父子各自执行父进程代码的一部分;父子代码共享,数据写时拷贝各自一份!

现在:如果子进程就想执行一个全新的程序呢?

想有自己的代码!就需要进程的程序替换,来完成这个功能。

🍙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 所以调用 exec 前后该进程的 id 并未改变。

 

程序替换原理图

🍙替换函数

函数名参数格式是否带路径是否使用当前环境变量
execl列表不是
execlp列表
execle列表不是不是,需自己组装环境变量
execv数组不是
execvp数组
execvpe数组不是,需自己组织环境变量

下面我们对各函数进行测试,测试使用ls命令替换程序。模板如下:

测试函数模板

🍥execl函数

🌰execl的使用测试:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{pid_t id=fork();if(id==0){//子进程printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());sleep(3);char* const _argv[]={(char*) "ls",(char*) "-a",(char*) "-l",NULL};//execl函数,传递参数列表execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);exit(1);}else{//父进程printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());int status=0;pid_t id=waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待if(id>0){printf("wait seccess,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}
execl结果图

execl是程序替换,调用该函数成功后,会将当前进程的所有的代码和数据都进行替换,包括以及执行的和没有执行的!(一旦调用成功,后面的所有代码都不会被执行!) 

🍥execv函数

🌰execv的使用测试:

//execv函数,传递数组
execv("/usr/bin/ls",_argv);
execv结果图

🍥execlp函数

🌰execlp的使用测试:

//execlp函数,传递文件名(无需路径)和参数列表
execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);
execlp结果图

🍥execle函数

🌰execle的使用测试:

//execle函数,传递参数列表和组装的环境变量
execle("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL,env);
execle结果图

🍥execvp函数

🌰execvp的使用测试:

//使用execvp函数,传递文件名和数组
execvp("ls",_argv);
execvp结果图

🍥execvpe函数

🌰execvpe的使用测试:

//execvpe函数,传递文件名,数组,需组织环境变量
execvpe("ls",_argv,env);
execvpe结构图

 

🍥execve函数(系统调用)

上面是exec系列的函数,事实上他们都调用execve,只有execve是真正的系统调用

函数名参数格式是否带路径是否使用当前环境变量
execve数组不是不是,需自己组织环境变量
关系图

🌰execve的使用测试:

exec.c:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{pid_t id=fork();if(id==0){//子进程printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());sleep(3);char* const _argv[]={(char*) "ls",(char*) "-a",(char*) "-l",NULL};char* const _argv_mycmd[]={(char*)"mycmd",(char*)"-a",NULL};char* const _env_mycmd[]={(char*)"My_Path=11111",NULL};//系统调用execveexecve("./mycmd",_argv_mycmd,_env_mycmd);exit(1);}else{//父进程printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());int status=0;pid_t id=waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待if(id>0){printf("wait seccess,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

 mycmd.c:

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>int main(int argc,char* argv[])
{if(argc!=2){printf("can not execute!\n");exit(1);}printf("获取环境变量:My_Path:%s\n",getenv("My_Path"));if(strcmp(argv[1],"-a")==0){printf("hello a!\n");}else if(strcmp(argv[1],"-b")==0){printf("hello b!\n");}else{printf("default!\n");}return 0;
}
execve结构图

成功将子进程程序替换为mycmd。

问题:为什么要创建子进程,在子进程中进行进程替换?

——如果不创建,那么我们替换的进程只能是父进程,如果创建了,替换的进程就是子进程,而不影响父进程。为了不想影响父进程,我们想让父进程聚焦在读取数据,解析数据,指派进程执行代码的功能!


文末结语,本篇结合前2篇内容详细讲解了进程控制,包含:进程创建,进程终止,终止码,_exit,进程等待的必要性以及方法(wait,waitpid)阻塞式等待和非阻塞式等待,进程程序替换的替换原理以及6大替换函数和系统调用execve替换子进程程序,图文并茂,使用例子测试代码。


http://www.ppmy.cn/news/987721.html

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