Linux：进程管理 | 进程创建 | 进程终止 | 进程等待 | 进程替换
2024-05-12 12:29:19
文章目录
- 进程创建
- fork
- 写时拷贝机制
- 进程终止
- 退出码
- 进程退出方法
- 进程等待
- 阻塞、非阻塞的等待
- 进程替换
- 替换函数
- exec l
- exec lp
- exec le
- exec ve
- exec vpe
- exec vp
- exec v
- 寄语
全文约 8351 字，预计阅读时长： 22分钟
进程创建
- 命令行启动命令（程序、指令等）
- 通过程序自身
fork出来的子进程
- OS是进程、与内存的管理者。
fork
- . fork是系统提供的调用接口；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
创建子进程，本质是多了一个进程；多了一个进程是多了一套进程相关的数据结构。
- 所有fork出来的子进程大部分数据，都是以父进程为模板拷贝的
- 再不写入的情况下，用户的代码和数据是父子只读共享的
- 为什么是共享的？
- 因为子进程没有加载代码数据的过程，只能用父进程的。
- PC计数器也是共享的，fork这条指令执行的时候，PC已经指向下一条指令了。所以只能执行后面的代码
int main()
{const char* str ="hello world\n";fork();//父进程调用fork//子进程只会执行后面的代码while(1){printf(" pid: %s,ppid: %s, str:%s\n",getpid(),getppid(),str);sleep(1);}return 0;
}
- fork 常规用法：
- 一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
- 一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。
- fork 调用失败的原因：
- 系统中统中有太多的进程
- 实际用户的进程数超过了限制
写时拷贝机制
- 一个变量里面，为什么会有两个不同的值？从而让父子进入不同的业务逻辑。
int main()
{const char* str ="hello world\n";pid_t ret = fork();//父进程调用fork//子进程只会执行后面的代码if(ret==0){while(1){printf("child: pid: %s,ppid: %s, str:%s\n",getpid(),getppid(),str);sleep(1);}}else if(ret>0)//返回子进程的PID{while(1){printf("father: pid: %s,ppid: %s, str:%s\n",getpid(),getppid(),str);sleep(1);}}else{perror("fork");}return 0;
}
- 通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的、只读的；当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。
- 在fork返回之前，子进程已经创建出来了，也需要创建变量接受，将返回值写入变量里。
- 父子页表的映射数据映射到了不同的内存区域
- 父子进程其中一个要修改数据时，页表层会有一个报错，OS拦截下来；看看是什么原因报错（野指针、越界等）；
- 一看是父子进程某一个写入，行吧，我知道了，给你拷贝一份和原数据一样大的空间…
- 所有的数据，子进程都拷贝一份不就好了吗？
（1）. 不行，父进程有很多只读的数据，而子进程只需要修改其中的一些或几个。如果全拷贝，浪费内存和系统资源。
（2）.fork 时，创建数据额结构，如果全拷贝，会降低fork的效率。
（3）.fork 本身就要像系统要更多的资源，要的太多可能会导致 fork 失败。
进程终止
- 代码运行完毕，结果正确
- 代码运行完毕，结果不正确
- 代码异常终止
退出码
- 为何main函数中，总是返回0？
- 给系统看，代表进程退出，0表示成功运行。
- 给系统看，代表进程退出，0表示成功运行。
- 退出码：可以人为的定义，也可以使用系统的错误码list。
#include<string.h>
#include<stdio.h>
int main()
{for(int i=0;i<135;++i){printf("[%d]:%s\n",i,strerror());}return 0;
}
- 当程序运行失败时，最关心程序为什么失败；退出码就承担着int—>string（错误信息描述）的转换。
- 父进程可以关心子进程的运行，也可以不关心。
- 在进程非正常结束的情况下，退出码毫无意义。
进程退出方法
- main 函数的return ；任何函数的 exit 。
- 非main 函数的 return 不是终止进程，而是结束函数；
- 任何函数的exit ，都表示终止进程。
- exit 在退出的时候，会进行后续资源处理，包括刷新缓冲区；_exit 则不会。
man 2/3 exit
站在操作系统角度，理解终止进程，核心思想：
- “释放”曾经为了管理进程所维护的所有数据结构对象。…释放：不是真的把数据结构对象销毁，而是设置成不用的状态，然后保存起来；如果这样的不用的对象多了，就会有一个“数据结构的池。”
- 释放程序代码和数据占用的内存空间。…不是把代码数据清空，而是把改内存空间设置成无效就可以。
- 取消曾经该进程的连接关系。…双向链表的指向关系取消。
- C语言也是有内存清理资源的函数。
进程等待
- 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
- 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
- 如果不存在该子进程，则立即出错返回。
pid_t wait ( int* status );父进程调用等待。- 等待任意一个进程；
- 返回值是子进程的PID；失败返回-1
status：操作系统在PCB里面存着的退出码（比特位第15位到第8位），需要(status>>8) & 0xFF获得status：如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。- 多个子进程的情况，利用循环调用等待子进程。
#include<stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0) { int count=5; while(count) { printf("child: i am running %d, ppid: %d, pid: %d\n",count--,getppid(),getpid()); sleep(1); } printf("child: i quit....\n"); exit(10); } else { printf("father is waiting:\n"); int status =0; pid_t ret = wait(&status); printf("father waited done :exit num: %d, ret: %d\n",(status>>8) & 0xFF,ret);//拿到 status 的第15 - 8的比特位 printf("father quit ...\n");}//if(ret == -1)...return 0;
}
pid_ t waitpid ( pid_t pid , int * status, int options);options：OS在PCB存着的退出信号：kill -num；- 给 0 意味着采用阻塞等待的方式调用
waitpid；退出信号存放在status的比特位第6位到第0位,通过status & 0X7F获得 - 给
WNOHANG，表示采用非阻塞等待轮询探测调用waitpid; WNOHANG：pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待；父进程继续去做别的事情。- 若正常结束，则
waitpid()返回该子进程的ID。
- 给 0 意味着采用阻塞等待的方式调用
- 参数：
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。
- 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；
- 如果设置了选项
- 阻塞等待：
//childepid_t id = fork();if(id == 0) { int count=5; while(count) { printf("child: i am running %d, ppid: %d, pid: %d\n",count--,getppid(),getpid()); sleep(1); } printf("child: i quit....\n"); exit(10); } //fatherint status =0;pid_t ret = waitpid(-1,&status,0); if(ret >0 && WIFEXITED(status)== 0){printf("wait sucess quit normal !\n");printf("exit code: %d,quit signal: %d, pid: %d\n",WEXITSTATUS(status),WIFEXITED(status),ret);}else{printf("wait failed child quit kill signal:%d\n", WIFEXITED(status));//推出信号}
- 为什么要让进程等待：
- 回收僵尸进程，解决内存泄漏；
- （不是必须的）需要获取进程的运行结束状态
- 尽量让父进程晚于子进程退出，可以规范化进行回收资源
status的系统提供的使用方法WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程，WIFSIGNALED(status)终止信号返回 0。若信号 为非0，表明进程异常终止，此时可通过WTERMSIG(status)获取使得进程退出的信号编号。
阻塞、非阻塞的等待
- 阻塞等待：父进程调用
waitpid(id,&status,0)时，会一直等着子进程做完事情，什么事情也做不了。- 父进程从R状态进入非R状态，进入等待队列；
- 直到子进程执行完毕，OS唤醒父进程，再将父进程加入调度队列。由OS完成一系列操作。
- 非阻塞等待或非阻塞轮询检测方案：
- 探测失败：子进程还在运行，下次在检测，父进程继续做事情…
- 探测成功：获得ID
- 真失败…，返回-1
WNOHANG的方式：
//childpid_t id = fork();if(id == 0) { int count=5; while(count) { printf("child: i am running %d, ppid: %d, pid: %d\n",count--,getppid(),getpid()); sleep(1); } printf("child: i quit....\n"); exit(10); }
//fatherint status =0;pid_t ret = waitpid(-1,&status,WNOHANG); while(1){if(ret == 0){printf("wait next !\n"); printf("fatehr do other thing\n");}else if(ret >0){printf("wait sucess \n");printf("exit code: %d,quit signal: %d, pid: %d\n",WEXITSTATUS(status),WIFEXITED(status),ret);break;}else{printf("wait failed\n");break;}}
进程替换
- 创建子进程的目的：
- 执行父进程的代码
- 执行其他程序的代码
- 进程程序替换也就是把原来父进程的代码替换成其他程序的代码，执行全新的程序。
- 程序 = 代码 + 数据，程序在磁盘就是一个普通的可执行文件。
- 如何替换？OS完成：
- 通过中断，信号等触发写实拷贝机制，OS在物理内存上重新开辟一块儿代码空间和一块儿数据空间；页表重新构建子进程的进程地址空间与物理内存之间的关系，再把新程序的代码数据加载到内存…
替换函数
exec函数算是一种特殊的加载器。
- 有六种以exec开头的函数,统称exec函数:
#include <unistd.h>`
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[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);...
- 这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。
- 如果调用出错则返回-1
- 所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。
- 命名理解：
- l(list) : 表示参数采用列表
- v(vector) : 参数用数组
- p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
- e(env) : 表示自己维护环境变量
- 事实上,只有
execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。
exec l
- 一：
int execl(const char *path, const char *arg, ...);：
int main()
{printf("my process begined.....\n");execl("/user/bin/ls","ls","-a",NULL)//要以空 结尾
}
exec lp
- 二：
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
#include <stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include <stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>int main()
{pid_t rid=fork();if(rid==0){int cou=5;while(cou--){printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);sleep(1);}execlp("top","top",NULL);exit(11);}int status =0;pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);if(ret >0 && WIFEXITED(status)== 0)//信号{printf("wait sucess !\n");printf("exit code: %d,quit signal: %d, pid: %d\n",WEXITSTATUS(status),WIFEXITED(status),ret);}else{printf("wait failed quit signal: %d\n", WIFEXITED(status));}return 0;
}
exec le
- 三：
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
#include <stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include <stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{pid_t rid=fork();if(rid==0){int cou=5;while(cou--){printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);sleep(1);}execle("/usr/bin/ls","ls","-i",NULL,env);exit(11);}.....
}
exec ve
- 四：
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]); - 调用自己写的 t1 程序，t1 打印获取传过来的自定义环境变量。
//T1.C
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int i=0;for(;i<2;++i){printf("i am here hh, test for execve(); use getenv(...)\n");}printf("environment variable: %s\n",getenv("MY_ENV"));return 0;
}
---------------------
int main()
{pid_t rid=fork();if(rid==0){int cou=5;while(cou--){printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);sleep(1);}char* const my_argv[]={"t1",NULL};char* const my_env[]={"MY_ENV= hello execve!",NULL};execve("./t1",my_argv,my_env);exit(11);}....
}
exec vpe
- 五：
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]); - 调用自己写的 t1 程序，t1 打印获取传过来的环境变量。
[saul@VM-12-7-centos tt729]$ export my_env="hello execvpe hh cannot add gantanhao" ...自定义的环境变量
[saul@VM-12-7-centos tt729]$ PATH=$PATH:/home/saul/tt729 ..运行程序不用加 。/
[saul@VM-12-7-centos tt729]$ vim t1.c
//t1。c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int i=0;for(;i<2;++i){printf("i am here hh, test for execvpe(); use getenv(...)\n");}printf("environment variable: %s\n",getenv("my_env"));return 0;
}
//main
int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{pid_t rid=fork();if(rid==0){int cou=5;while(cou--){printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);sleep(1);}char* const my_argv[]={"t1",NULL};execvpe("t1",my_argv,env);exit(11);}}
exec vp
- 六：
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int main()
{char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径execvp("ps", argv);
}v：exec参数列表：传的是：该程序命令行参数列表的字符指针数组，p：自动获取全局变量PATH；exec参数列表：前面的第一个参数可以不加路径；l：在exec 参数列表一个个传过去 程序的使用方法。l , v 都以NULL结尾。e：在exec 参数列表：- 传过去继承的环境变量字符指针数组、
- 或自己定义的env 环境变量的字符指针数组
- 可以看出，通过这种
exec*函数的方式可以在一个语言程序内，跑另外一个语言的程序。
exec v
- 七：
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int main()
{char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
execv("/user/bin/ps", argv);
}
寄语
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