Linux进程控制

网友投稿 630 2022-05-29

@TOC

零、前言

前篇我们讲解学习了关于进程的概念知识,本章主要讲解关于进程的控制,深入学习进程

一、进程创建

1、fork函数

概念:

linux中fork函数从已存在进程中创建一个新进程(子进程),而原进程为父进程

fork函数原型:

pid_t fork(void);

注意:

使用fork()函数需要包含头文件;pid_t类型需要包含头文件

fork成功后对子进程返回0,对父进程返回子进程id,fork出错返回-1

内核视角看待fork:

进程调用fork,内核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(例如PCB进程控制块,进程地址空间,页表等)

添加子进程到系统进程列表当中,当fork返回后开始调度器调度进程

示图:

Linux进程控制

fork后执行问题:

当一个进程调用fork之后,父子进程共享同一份代码,也就是说整个代码父子进程都可以看到,但是此时父子进程的执行位置都是相同的,也就是说fork返回后子进程也是往fork之后的代码执行(并非再从头执行)

示例:

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

结果:

示图:

2、fork返回值

返回值:

fork成功对子进程返回0,对父进程返回子进程的pid

写时拷贝

概念:

fork成功之后父子代码共享,当父子不写入数据时,数据也是共享的,当任意一方试图写入,便以写时拷贝的方式各自一份副本

为什么数据要进行写时拷贝:

进程具有独立性,多进程运行,需要独享各种资源,多进程运行期间互不干扰,不能让子进程的修改影响到父进程

为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝:

子进程不一定会使用父进程的所有数据,并且在子进程不对数据进行写入的情况下,没有必要对数据进行拷贝,我们应该按需分配,在需要修改数据的时候再分配(延时分配),这样可以高效的使用内存空间,提高fork效率,以及fork的成功率

代码会不会进行写时拷贝:

90%的情况下是不会的,但这并不代表代码不能进行写时拷贝,例如在进行进程替换的时候,则需要进行代码的写时拷贝

示图:

fork函数为什么要给子进程返回0,给父进程返回子进程的PID:

一个父进程可以创建多个子进程,而一个子进程只能有一个父进程。因此,对于子进程来说,父进程是不需要被标识的;而对于父进程来说,子进程是需要被标识的,因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的,父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程进行深入操作

为什么fork存在“两个”返回值:

父进程创建子进程时,子进程以父进程为模板构建进程,代码数据父子共享,返回时也是父子进程进行修改数据时,由页表发现该数据是父子进程共享的,所以系统会找到另一个物理空间进行拷贝数据,拷贝数据后再修改数据,达到数据各有一份互不干扰的目的,保证进程的独立性

3、fork用法

我们创建子进程并不是为了父进程执行一样的代码,而是为了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

用法1:fork返回后分流执行不同代码

示例:

#include #include #include #include int main() { pid_t id=fork();//创建子进程 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);//终止进程 } 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; }

结果:

用法2:fork返回后调用exec函数替换进程

注:在下文有着重讲解

4、fork失败

fork本质就是向系统要资源,当某个资源不够时则会发生fork失败

失败原因:

1.系统中有太多的进程

2.实际用户的进程数超过了限制

二、进程终止

1、退出码

概念:

其实main函数是间接性被操作系统所调用的,当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息,而这个所谓的退出信息就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回

我们一般以0表示代码成功执行完毕,以非0表示代码执行过程中出现错误,一般来说我们写的代码都不太规范,没有根据执行结果返回相应的退出码

注:退出码可以人为定义,也可以使用系统的错误码表

示图:系统错误码表

退出码查看:

使用指令 echo $?

示例:

注:如果main没有return,则echo $?查看的是最近函数的退出码,一般来说都是0

2、退出方法

进程退出场景:

代码运行完毕,结果正确,退出码为0

代码运行完毕,结果不正确,逻辑存在问题,退出码为非0

代码异常终止,层序崩溃,退出码没有意义

进程常见退出方法:

1) 调用_exit函数

_exit函数原型:

#include void _exit(int status);

注意:

status 定义了进程的终止状态,父进程通过wait来获取该值

虽然status是int,但是仅有低8位可以被父进程所用

注:_exit(-1)时,在终端执行$?发现返回值是255

示图:

2)调用exit函数

exit函数原型:

#include void exit(int status);

exit与_exit的区别:

_exit仅仅是退出进程

exit在退出进程前,先执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数,关闭所有打开的流,所有的缓存数据均写入(刷新缓冲区),最后调用_exit

示图:

示例:

3)main函数return

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

示图:

注意:

只有是在main函数的的return才算是终止进程,其他函数return只是结束函数,因为系统调用的是main函数,main函数返回才是进程的返回

调用main函数运行结束后,main函数的return返回值当做exit的参数来调用exit函数,而使用exit函数退出进程前,exit函数会先执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲,关闭流等操作,然后再调用_exit函数终止进程

4)异常退出

向进程发生信号

如在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出,或是使用Ctrl+C迫使进程退出

代码运行异常

如代码当中存在野指针问题等bug问题使得进程运行时异常退出

3、理解终止

以OS角度理解:核心思想-归还资源

释放曾经为管理进程所维护的数据结构资源,并非销毁释放数据结构对象,而是将状态设置为无效并保存起来,下一次需要就直接使用不用申请,相当于建立对应的数据结构“内存池”

释放程序数据和代码占用的空间,并非清空数据和代码,而是将对应内存区域设置为无效,要再次使用时直接覆盖数据和代码就行了

取消曾经该进程在进程队列里的链接关系(避免”野指针“)

三、进程等待

进程等待必要性:

当子进程退出,并不是完全退出,子进程的PCB任然存在,父进程如果不等待回收,就可能造成‘僵尸进程’的问题,进而造成内存泄漏

注:进程一旦变成僵尸状态,并不能被父进程给kill掉,因为子进程已经死去,只能父进程等待回收

子进程的PCB保留着退出前任务执行的信息,而通过回收子进程我们可以知道子进程运行完成,结果对还是不对,或者是否正常退出

注:非必须,依执行的程序和需求而定

尽量使父进程晚于子进程退出,可以规范化进行资源的回收

注:所以一般来说,当我们fork之后,就需要父进程等待回收子进程

1、等待方法

wait方法:

wait函数原型:

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

注意:

wait函数作用的等待任意子进程

返回值:成功返回被等待进程pid,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

waitpid方法:

waitpid函数原型:

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

注意:

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options为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

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

参数status:

参数status是一个输出型参数,需要我们传入一个整形变量的地址,以此获取子进程退出的信息

使用对应的宏可以查看我们需要的退出信息: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)

参数options:

设置为0:表示默认的阻塞式等待子进程退出,即子进程没退出就不返回,一直等待到子进程退出回收子进程

设置为WNOHANG: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

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

结果:

示例2:非阻塞等待

#include #include #include #include int main() { pid_t pid; pid = fork(); if(pid < 0){//fork失败 printf("%s fork error\n",__FUNCTION__); return 1; }else if( pid == 0 ){ //child执行 printf("child is run, pid is : %d\n",getpid()); sleep(5); exit(1); } else{ //father执行 int status = 0; pid_t ret = 0; do{ ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待 if( ret == 0 ){//等待失败则继续等待 printf("child is running\n"); //TODO...等待执行其他任务,待会再等待 } sleep(1); }while(ret == 0); //等待成功打印对应信息 if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){ //退出正常输出退出码 printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status)); }else{ //退出异常 printf("wait child failed, return.\n"); return 1; } } return 0; }

结果:

总结:

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

示图:

2、获取status

概念:

wait和waitpid,都有一个status参数,该参数是一个输出型参数,由操作系统进行将退出信息填充

如果传递NULL,表示不关心子进程的退出状态信息;如果传递变量地址,操作系统会根据该参数将子进程的退出信息反馈给父进程

使用对应的宏可以方便查看我们需要的退出信息: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)

注:status不能简单的当作整形来看待,可以当作位图来看待(只有status的低16比特位有有效信息)

示图:

注意:

如果是正常退出,我们可以进一步获取子进程退出的退出码(退出状态),通过退出码判断进程执行的结果如何,是对还是错

如果是异常退出,那么退出码变没有意义(执行任务已经失败),只需要考虑低7位的信息查看是怎样的异常

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

结果:

3、理解等待

以OS的视角理解:

父进程创建子进程,并调用系统接口wait/waitpid进行等待

系统会将当前进程放进等待队列,并将进程的状态设置为非R

当到一定程度时,系统会唤醒进程,进程由等待队列转为运行队列,同时状态变为R

四、进程替换

1、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)

如果想执行不同程序,子进程可以调用一种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

注:调用exec并不创建新进程,只是将进程的代码和数据写时拷贝成新程序的代码和数据(达到替换的效果),所以调用exec前后该进程的id并未改变

示图:

2、替换方法

exec系列函数原型:

#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:

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(已经将代码和数据全部替换,执行新程序的执行逻辑)

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) : 表示参数采用列表的形式传入如何使用程序或者命令 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

示图:

具体使用介绍:

//子进程替换程序为ls命令 execl("/user/bin/ls","ls","-i","-a","-l",NULL); //注:l表示列表形式,即以可变参数的形式使用程序,最后一个参数需要传入NULL,表示参数传入结束 execlp("ls","ls","-i","-a","-l",NULL); //注:对于ls这样的系统命令,其路径被储存在PATH环境变量里,execlp函数会自动到PATH里通过各路径去寻找ls命令;如果系统程序指令,则要么拷贝程序到PATH里的某个路径下,或者添加程序路径到PATH变量里 //注:对于这里两个ls其实并不冲突,第一个表示程序的名称,第二个表示如何通过参数列表使用程序(使用时需要带上名称) char* const MY_Env[]={ "MYENV=hello linux",NULL } execle("./mycmd","mycmd",NULL,MY_Env); //注:对于不是当前环境变量,需要自己组装,或者将添加到当前环境变量里 char* const MY_acgv[]={ "ls", ,"-l" ,"-a" ,"-i" ,NULL } execv("/user/bin/ls",MY_acgv); //注:v表示数组的形式传入参数列表 execvp("ls",MY_acgv); execve("/user/bin/ls",MY_acgv,env);

示例:替换程序为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

结果:

注:本质上只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用execve(在系统调用上的一个封装),所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节

示图:

注:对于软件或者程序执行,要预先将存在磁盘里的软件或者程序加载到CPU上,而我们也可以将exec系列函数看作是一种特殊的加载器

五、实现简易shell

shell视角执行:

shell读取新的一行输入,建立一个新的进程,在这个进程中运行程序并等待这个进程结束,再进行新的输入读取

注意:

对于shell来说作为命令行解释器,执行命令需要将执行结果给用户看到,这时候就需要子进程执行,让子进程的结果返回,即父进程等待回收子进程

但是对于一些内建命令则需要shell自己执行,例如执行cd …返回上层目录,我们希望的并不是子进程返回上层目录,所以需要shell自己执行

具体流程:

获取命令行

解析命令行

建立一个子进程(fork)

替换子进程(execvp)

父进程等待子进程退出(wait)

示图:

注:根据这些思路,和我们前面的学的技术,就可以自己来实现一个shell了

实现代码:

#include #include #include #include #include #include #define MAX 128 #define SIZE 32 char cmd_line[MAX];//保存获取输入 char* cmd_parse[SIZE];//命令选项 int main() { //不断执行 while(1) { memset(cmd_line,0,sizeof(cmd_line));//清空数据 printf("[zgj@myhost my_mini_shell]$ ");//显示词条 fflush(stdout);//强制刷新 if(fgets(cmd_line,sizeof(cmd_line)-1,stdin))//获取数据 { //获取成功,设置结束符 cmd_line[strlen(cmd_line)-1]='\0';//注意这里的下标需要减一,因为最后一个接收到的是回车符\n //切分命令选项 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//非内置命令,子进程执行 { 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 任务调度

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