Linux進程控制

@TOC

零、前言

前篇我們講解學習了關于進程的概念知識，本章主要講解關于進程的控制，深入學習進程

一、進程創建

1、fork函數

概念：

在linux中fork函數從已存在進程中創建一個新進程（子進程），而原進程為父進程

fork函數原型：

pid_t fork(void);

注意：

使用fork()函數需要包含頭文件；pid_t類型需要包含頭文件

fork成功后對子進程返回0，對父進程返回子進程id，fork出錯返回-1

內核視角看待fork：

進程調用fork，內核分配新的內存塊和內核數據結構給子進程

將父進程部分數據結構內容拷貝至子進程（例如PCB進程控制塊，進程地址空間，頁表等）

添加子進程到系統進程列表當中，當fork返回后開始調度器調度進程

示圖：

fork后執行問題：

當一個進程調用fork之后，父子進程共享同一份代碼，也就是說整個代碼父子進程都可以看到，但是此時父子進程的執行位置都是相同的，也就是說fork返回后子進程也是往fork之后的代碼執行（并非再從頭執行）

示例：

#include #include #include int main() { printf("Before fork: pid is %d\n", getpid()); pid_t pid=fork(); if (pid== -1 )//fork錯誤 { perror("fork fail"); exit(1); } printf("After fork:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid); sleep(1); return 0; }

結果：

示圖：

2、fork返回值

返回值：

fork成功對子進程返回0，對父進程返回子進程的pid

寫時拷貝

概念：

fork成功之后父子代碼共享，當父子不寫入數據時，數據也是共享的，當任意一方試圖寫入，便以寫時拷貝的方式各自一份副本

為什么數據要進行寫時拷貝:

進程具有獨立性，多進程運行，需要獨享各種資源，多進程運行期間互不干擾，不能讓子進程的修改影響到父進程

為什么不在創建子進程的時候就進行數據的拷貝：

子進程不一定會使用父進程的所有數據，并且在子進程不對數據進行寫入的情況下，沒有必要對數據進行拷貝，我們應該按需分配，在需要修改數據的時候再分配（延時分配），這樣可以高效的使用內存空間，提高fork效率，以及fork的成功率

代碼會不會進行寫時拷貝：

90%的情況下是不會的，但這并不代表代碼不能進行寫時拷貝，例如在進行進程替換的時候，則需要進行代碼的寫時拷貝

示圖：

fork函數為什么要給子進程返回0，給父進程返回子進程的PID：

一個父進程可以創建多個子進程，而一個子進程只能有一個父進程。因此，對于子進程來說，父進程是不需要被標識的；而對于父進程來說，子進程是需要被標識的，因為父進程創建子進程的目的是讓其執行任務的，父進程只有知道了子進程的PID才能很好的對該子進程進行深入操作

為什么fork存在“兩個”返回值：

父進程創建子進程時，子進程以父進程為模板構建進程，代碼數據父子共享，返回時也是父子進程進行修改數據時，由頁表發現該數據是父子進程共享的，所以系統會找到另一個物理空間進行拷貝數據，拷貝數據后再修改數據，達到數據各有一份互不干擾的目的，保證進程的獨立性

3、fork用法

我們創建子進程并不是為了父進程執行一樣的代碼，而是為了使父子進程同時執行不同的代碼段

例如：父進程等待客戶端請求，生成子進程來處理請求

用法1：fork返回后分流執行不同代碼

示例：

#include #include #include #include int main() { pid_t id=fork();//創建子進程 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);//終止進程 } 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; }

結果：

用法2：fork返回后調用exec函數替換進程

注：在下文有著重講解

4、fork失敗

fork本質就是向系統要資源，當某個資源不夠時則會發生fork失敗

失敗原因：

1.系統中有太多的進程

2.實際用戶的進程數超過了限制

二、進程終止

1、退出碼

概念：

其實main函數是間接性被操作系統所調用的，當main函數調用結束后就應該給操作系統返回相應的退出信息，而這個所謂的退出信息就是以退出碼的形式作為main函數的返回值返回

我們一般以0表示代碼成功執行完畢，以非0表示代碼執行過程中出現錯誤，一般來說我們寫的代碼都不太規范，沒有根據執行結果返回相應的退出碼

注：退出碼可以人為定義，也可以使用系統的錯誤碼表

示圖：系統錯誤碼表

退出碼查看：

使用指令 echo $?

示例：

注：如果main沒有return，則echo $?查看的是最近函數的退出碼，一般來說都是0

2、退出方法

進程退出場景:

代碼運行完畢，結果正確，退出碼為0

代碼運行完畢，結果不正確，邏輯存在問題，退出碼為非0

代碼異常終止，層序崩潰，退出碼沒有意義

進程常見退出方法：

1) 調用_exit函數

_exit函數原型：

#include void _exit(int status);

注意：

status 定義了進程的終止狀態，父進程通過wait來獲取該值

雖然status是int，但是僅有低8位可以被父進程所用

注：_exit(-1)時，在終端執行$?發現返回值是255

示圖：

2)調用exit函數

exit函數原型：

#include void exit(int status);

exit與_exit的區別：

_exit僅僅是退出進程

exit在退出進程前，先執行用戶通過 atexit或on_exit定義的清理函數，關閉所有打開的流，所有的緩存數據均寫入（刷新緩沖區），最后調用_exit

示圖：

示例：

3)main函數return

return是一種更常見的退出進程方法，執行return n等同于執行exit(n)，因為調用main的運行時函數會將main的返回值當做exit的參數

示圖：

注意：

只有是在main函數的的return才算是終止進程，其他函數return只是結束函數，因為系統調用的是main函數，main函數返回才是進程的返回

調用main函數運行結束后，main函數的return返回值當做exit的參數來調用exit函數，而使用exit函數退出進程前，exit函數會先執行用戶定義的清理函數、沖刷緩沖，關閉流等操作，然后再調用_exit函數終止進程

4)異常退出

向進程發生信號

如在進程運行過程中向進程發生kill -9信號使得進程異常退出，或是使用Ctrl+C迫使進程退出

代碼運行異常

如代碼當中存在野指針問題等bug問題使得進程運行時異常退出

3、理解終止

以OS角度理解：核心思想-歸還資源

釋放曾經為管理進程所維護的數據結構資源，并非銷毀釋放數據結構對象，而是將狀態設置為無效并保存起來，下一次需要就直接使用不用申請，相當于建立對應的數據結構“內存池”

釋放程序數據和代碼占用的空間，并非清空數據和代碼，而是將對應內存區域設置為無效，要再次使用時直接覆蓋數據和代碼就行了

取消曾經該進程在進程隊列里的鏈接關系（避免”野指針“）

三、進程等待

進程等待必要性：

當子進程退出，并不是完全退出，子進程的PCB任然存在，父進程如果不等待回收，就可能造成‘僵尸進程’的問題，進而造成內存泄漏

注：進程一旦變成僵尸狀態，并不能被父進程給kill掉，因為子進程已經死去，只能父進程等待回收

子進程的PCB保留著退出前任務執行的信息，而通過回收子進程我們可以知道子進程運行完成，結果對還是不對，或者是否正常退出

注：非必須，依執行的程序和需求而定

盡量使父進程晚于子進程退出，可以規范化進行資源的回收

注：所以一般來說，當我們fork之后，就需要父進程等待回收子進程

1、等待方法

wait方法：

wait函數原型：

#include #include pid_t wait(int*status);

注意：

wait函數作用的等待任意子進程

返回值：成功返回被等待進程pid，失敗返回-1

參數：輸出型參數，獲取子進程退出狀態，不關心則可以設置成為NULL

waitpid方法：

waitpid函數原型：

#include #include pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

注意：

返回值：

當正常返回的時候waitpid返回收集到的子進程的進程ID

如果設置了選項options為WNOHANG，而調用中waitpid發現沒有已退出的子進程可收集,則返回0；如果調用中出錯，則返回-1，這時errno會被設置成相應的值以指示錯誤所在

參數pid：

Pid=-1，等待任一個子進程，與wait等效

Pid>0，等待其進程ID與pid相等的子進程

參數status：

參數status是一個輸出型參數，需要我們傳入一個整形變量的地址，以此獲取子進程退出的信息

使用對應的宏可以查看我們需要的退出信息：WIFEXITED(status): 若為正常終止子進程返回的狀態，則為真（查看進程是否是正常退出）;WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子進程退出碼（查看進程的退出碼）

參數options：

設置為0：表示默認的阻塞式等待子進程退出，即子進程沒退出就不返回，一直等待到子進程退出回收子進程

設置為WNOHANG：若pid指定的子進程沒有結束，則waitpid()函數返回0，不予以等待；若正常結束，則返回該子進程的ID

示例1：阻塞等待

#include #include #include #include #include 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;//野指針 exit(123); } printf("father wait...\n"); int status=0; //pid_t ret=wait(&status);//等待特定任意子進程 pid_t ret=waitpid(id,&status,0);//阻塞等待特定子進程 if(ret>0&&WIFEXITED(status))//等待成功并子進程退出正常 { printf("wait success: wait for id:%d status code:%d\n",ret,WEXITSTATUS(status)); } else if(ret>0)//等待成功但是子進程退出異常 { printf("exit error! status codedump:%d sign:%d\n",(status>>7)&1,status&0x7F); } return 0; }

結果：

示例2：非阻塞等待

#include #include #include #include int main() { pid_t pid; pid = fork(); if(pid < 0){//fork失敗 printf("%s fork error\n",__FUNCTION__); return 1; }else if( pid == 0 ){ //child執行 printf("child is run, pid is : %d\n",getpid()); sleep(5); exit(1); } else{ //father執行 int status = 0; pid_t ret = 0; do{ ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待 if( ret == 0 ){//等待失敗則繼續等待 printf("child is running\n"); //TODO...等待執行其他任務,待會再等待 } sleep(1); }while(ret == 0); //等待成功打印對應信息 if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){ //退出正常輸出退出碼 printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status)); }else{ //退出異常 printf("wait child failed, return.\n"); return 1; } } return 0; }

結果：

總結：

如果子進程已經退出，調用wait/waitpid時，wait/waitpid會立即返回，并且釋放資源，獲得子進程退出信息

如果在任意時刻調用wait/waitpid，子進程存在且正常運行，則進程可能阻塞

如果不存在該子進程，則立即出錯返回

示圖：

2、獲取status

概念：

wait和waitpid，都有一個status參數，該參數是一個輸出型參數，由操作系統進行將退出信息填充

如果傳遞NULL，表示不關心子進程的退出狀態信息；如果傳遞變量地址，操作系統會根據該參數將子進程的退出信息反饋給父進程

使用對應的宏可以方便查看我們需要的退出信息：WIFEXITED(status): 若為正常終止子進程返回的狀態，則為真（查看進程是否是正常退出）;WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子進程退出碼（查看進程的退出碼）

注：status不能簡單的當作整形來看待，可以當作位圖來看待（只有status的低16比特位有有效信息）

示圖：

注意：

如果是正常退出，我們可以進一步獲取子進程退出的退出碼（退出狀態），通過退出碼判斷進程執行的結果如何，是對還是錯

如果是異常退出，那么退出碼變沒有意義（執行任務已經失敗），只需要考慮低7位的信息查看是怎樣的異常

示例：

#include #include #include #include #include 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 ) { // 異常退出 printf("sig code : %d\n", st&0X7F ); } } }

結果：

3、理解等待

以OS的視角理解：

父進程創建子進程，并調用系統接口wait/waitpid進行等待

系統會將當前進程放進等待隊列，并將進程的狀態設置為非R

當到一定程度時，系統會喚醒進程，進程由等待隊列轉為運行隊列，同時狀態變為R

四、進程替換

1、替換原理

用fork創建子進程后執行的是和父進程相同的程序(但有可能執行不同的代碼分支)

如果想執行不同程序，子進程可以調用一種exec函數以執行另一個程序

當進程調用一種exec函數時，該進程的用戶空間代碼和數據完全被新程序替換，從新程序的啟動例程開始執行

注：調用exec并不創建新進程，只是將進程的代碼和數據寫時拷貝成新程序的代碼和數據（達到替換的效果），所以調用exec前后該進程的id并未改變

示圖：

2、替換方法

exec系列函數原型：

#include ` 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：

這些函數如果調用成功則加載新的程序從啟動代碼開始執行，不再返回（已經將代碼和數據全部替換，執行新程序的執行邏輯）

如果調用出錯則返回-1，所以exec函數只有出錯的返回值而沒有成功的返回值

命名理解：

l(list) : 表示參數采用列表的形式傳入如何使用程序或者命令 v(vector) : 參數用數組 p(path) : 有p自動搜索環境變量PATH e(env) : 表示自己維護環境變量

示圖：

具體使用介紹：

//子進程替換程序為ls命令 execl("/user/bin/ls","ls","-i","-a","-l",NULL); //注：l表示列表形式，即以可變參數的形式使用程序，最后一個參數需要傳入NULL，表示參數傳入結束 execlp("ls","ls","-i","-a","-l",NULL); //注：對于ls這樣的系統命令，其路徑被儲存在PATH環境變量里，execlp函數會自動到PATH里通過各路徑去尋找ls命令；如果系統程序指令，則要么拷貝程序到PATH里的某個路徑下，或者添加程序路徑到PATH變量里 //注：對于這里兩個ls其實并不沖突，第一個表示程序的名稱，第二個表示如何通過參數列表使用程序（使用時需要帶上名稱） char* const MY_Env[]={ "MYENV=hello linux",NULL } execle("./mycmd","mycmd",NULL,MY_Env); //注：對于不是當前環境變量，需要自己組裝，或者將添加到當前環境變量里 char* const MY_acgv[]={ "ls", ,"-l" ,"-a" ,"-i" ,NULL } execv("/user/bin/ls",MY_acgv); //注：v表示數組的形式傳入參數列表 execvp("ls",MY_acgv); execve("/user/bin/ls",MY_acgv,env);

示例：替換程序為mycmd

test_exec.c: #include #include #include #include #include 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 #include 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

結果：

注：本質上只有execve是真正的系統調用，其它五個函數最終都調用execve（在系統調用上的一個封裝），所以execve在man手冊 第2節，其它函數在man手冊第3節

示圖：

注：對于軟件或者程序執行，要預先將存在磁盤里的軟件或者程序加載到CPU上，而我們也可以將exec系列函數看作是一種特殊的加載器

五、實現簡易shell

shell視角執行：

shell讀取新的一行輸入，建立一個新的進程，在這個進程中運行程序并等待這個進程結束，再進行新的輸入讀取

注意：

對于shell來說作為命令行解釋器，執行命令需要將執行結果給用戶看到，這時候就需要子進程執行，讓子進程的結果返回，即父進程等待回收子進程

但是對于一些內建命令則需要shell自己執行，例如執行cd …返回上層目錄，我們希望的并不是子進程返回上層目錄，所以需要shell自己執行

具體流程:

獲取命令行

解析命令行

建立一個子進程（fork）

替換子進程（execvp）

父進程等待子進程退出（wait）

示圖：

注：根據這些思路，和我們前面的學的技術，就可以自己來實現一個shell了

實現代碼：

#include #include #include #include #include #include #define MAX 128 #define SIZE 32 char cmd_line[MAX];//保存獲取輸入 char* cmd_parse[SIZE];//命令選項 int main() { //不斷執行 while(1) { memset(cmd_line,0,sizeof(cmd_line));//清空數據 printf("[zgj@myhost my_mini_shell]$ ");//顯示詞條 fflush(stdout);//強制刷新 if(fgets(cmd_line,sizeof(cmd_line)-1,stdin))//獲取數據 { //獲取成功，設置結束符 cmd_line[strlen(cmd_line)-1]='\0';//注意這里的下標需要減一，因為最后一個接收到的是回車符\n //切分命令選項 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//非內置命令，子進程執行 { 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：

Linux 任務調度

版權聲明：本文內容由網絡用戶投稿，版權歸原作者所有，本站不擁有其著作權，亦不承擔相應法律責任。如果您發現本站中有涉嫌抄襲或描述失實的內容，請聯系我們jiasou666@gmail.com 處理，核實后本網站將在24小時內刪除侵權內容。

版權聲明：本文內容由網絡用戶投稿，版權歸原作者所有，本站不擁有其著作權，亦不承擔相應法律責任。如果您發現本站中有涉嫌抄襲或描述失實的內容，請聯系我們jiasou666@gmail.com 處理，核實后本網站將在24小時內刪除侵權內容。