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Linux進程控制方式

更新時間：2025年03月07日 15:22:21 作者：新綠MEHO

本文詳細介紹了fork函數(shù)、寫時拷貝、進程退出、進程等待以及程序替換等概念,并通過實例代碼和圖解幫助理解這些概念

1.進程創(chuàng)建

fork函數(shù)

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

返回值：自進程中返回 0 ，父進程返回子進程 id ，出錯返回 -1

進程調(diào)用 fork ，當控制轉移到內(nèi)核中的 fork 代碼后，內(nèi)核做：

1.分配新的內(nèi)存塊和內(nèi)核數(shù)據(jù)結構給子進程
2.將父進程部分數(shù)據(jù)結構內(nèi)容拷貝至子進程
3.添加子進程到系統(tǒng)進程列表當中
4.fork返回，開始調(diào)度器調(diào)度

fork之后，誰先執(zhí)行完全由調(diào)度器決定?。?！

fork的常規(guī)用法

1.一個父進程希望復制自己，使父子進程同時執(zhí)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。

2.一個進程要執(zhí)行一個不同的程序。例如子進程從fork返回后，調(diào)用exec函數(shù)。

2.寫時拷貝

通常，父子代碼共享，父子再不寫入時，數(shù)據(jù)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。

具體見下圖：

為什么要有寫時拷貝？

1.因為有寫時拷貝技術的存在，父子進程得以徹底分離，保證了進程獨立性。

2.寫時拷貝是一種延遲申請技術，可以提高整機內(nèi)存的使用率。

3.進程終止

進程退出的場景

1.代碼運行完畢，結果正確
2.代碼運行完畢，結果不正確
3.代碼異常終止

進程常見退出方法

1.正常終止（可以通過 echo $? 查看進程退出碼）

從main返回
調(diào)用exit
調(diào)用_exit

2.異常退出

ctrl + c,信號終止

_exit 函數(shù)

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

參數(shù)： status 定義了進程的終止狀態(tài)，父進程通過 wait 來獲取該值

說明：雖然 status 是 int ，但是僅有低 8 位可以被父進程所用。所以 _exit(-1) 時，在終端執(zhí)行 $? 發(fā)現(xiàn)返回值是255 。

exit 函數(shù)

exit 最后也會調(diào)用 _exit , 但在調(diào)用_ exit 之前，還做了其他工作：

1. 執(zhí)行用戶通過 atexit 或 on_exit 定義的清理函數(shù)。
2. 關閉所有打開的流，所有的緩存數(shù)據(jù)均被寫入
3. 調(diào)用 _exit

實例：

int main()
{
printf("hello");
exit(0);
}
運行結果 :
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#
------------------------------------------------------------------------
int main()
{
printf("hello");
_exit(0);
}
運行結果 :
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#

通過上邊的例子，我們看到當printf中的字符串后邊沒有加 \n 時，調(diào)用exit函數(shù)會打印出字符串內(nèi)容，但是調(diào)用 _exit 函數(shù)并不會打印任何內(nèi)容，原因就是因為 exit 底層調(diào)用的是 _exit，exit在調(diào)用_exit之前，會刷新緩沖區(qū)，表現(xiàn)為原來緩沖區(qū)中的字符串被打印出來，但是 _exit并不會刷新緩沖區(qū)。

那么這個所謂的“緩沖區(qū)”在哪里呢？誰來維護的？

一定不在操作系統(tǒng)內(nèi)部?。∪绻遣僮飨到y(tǒng)維護的，緩沖區(qū)內(nèi)的內(nèi)容也能被 _exit 刷新來。

C標準庫給我們維護的?。?！

退出碼

int main()
{
	int i;
	for(i=0;i<150;i++)
	{
		printf("%d: %s\n",i,strerror(i));
	}

	return 0;
}

通過上圖，可以看出，一共有134個退出碼。

4.進程等待

進程等待的必要性

1.之前講過，子進程退出，父進程如果不管不顧，就可能造成‘僵尸進程’的問題，進而造成內(nèi)存泄漏。

2.另外，進程一旦變成僵尸狀態(tài)，那就刀槍不入，“殺.人不眨眼”的kill -9 也無能為力，因為誰也沒有辦法殺死一個已經(jīng)死去的進程。

3.最后，父進程派給子進程的任務完成的如何，我們需要知道。如，子進程運行完成，結果對還是不對，或者是否正常退出。

4.父進程通過進程等待的方式，回收子進程資源，獲取子進程退出信息

進程等待的方法

wait方法

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);

返回值：

成功返回被等待進程pid，失敗返回-1。

參數(shù)：

輸出型參數(shù)，獲取子進程退出狀態(tài),不關心則可以設置成為NULL

waitpid方法

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

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WNOHANG,而調(diào)用中waitpid發(fā)現(xiàn)沒有已退出的子進程可收集,則返回0；
如果調(diào)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(shù)：

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。

status:

WIFEXITED(status): 若為正常終止子進程返回的狀態(tài)，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）

options:

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

注意：

1.如果子進程已經(jīng)退出，調(diào)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。
2.如果在任意時刻調(diào)用wait/waitpid，子進程存在且正常運行，則進程可能阻塞。
3.如果不存在該子進程，則立即出錯返回。

說明：

1.wait和waitpid是系統(tǒng)調(diào)用?。?！
2. 父進程等待子進程，當子進程執(zhí)行 return / exit / _exit / 因為某種原因異常崩潰退出后，子進程會將自己的退出碼信息寫入自己的進程控制塊（task_struct）中，此時，退出后的子進程處于Z狀態(tài)，此時代碼可以釋放，但是task_struct必須維護，直到父進程讀取信息完畢后，子進程的task_struct才能釋放。
3.父進程通過 wait / waitpid 傳遞的參數(shù)，就可以拿到子進程的退出結果（退出碼等信息）。

驗證上邊說到的 “子進程會將自己的退出碼信息寫入到自己的進程控制塊中” ：

獲取子進程status

1.wait和waitpid，都有一個status參數(shù)，該參數(shù)是一個輸出型參數(shù)，由操作系統(tǒng)填充。

2.如果傳遞NULL，表示不關心子進程的退出狀態(tài)信息。

3.否則，操作系統(tǒng)會根據(jù)該參數(shù)，將子進程的退出信息反饋給父進程。

4.status不能簡單的當作整形來看待，可以當作位圖來看待，具體細節(jié)如下圖（只研究status低16比特位）：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	pid_t id=fork();
	if(id==0)
	{
		int cnt=5;
		while(cnt--)
		{
			printf("我是子進程，pid: %d,ppid(): %d\n",getpid(),getppid());
		}
		exit(100);
	}
	else if(id>0)
	{
			printf("我是父進程，pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
		int status=0;
		pid_t result = waitpid(-1,&status,0);
		if(result>0)
		{
            //printf("等待子進程成功，status: %d\n",status>>8);
			printf("等待子進程成功，status: %d\n",status>>8 & 0xFFFF);
		}
	}
	else
	{
		//fork error
	}
	return 0;
}

注意：獲取status時，一定要先右移8位再按位與0xFFFF,如果不這么做的話，結果為：

顯然與100不符，結果錯誤。（這就是為什么要將status右移8位再按位與0xFFFF）

將status右移8位再按位與0xFFFF后，結果為：

與100符合，結果正確。

當然，還有別的方法，將 status>>8 & 0xFFFF 改為 WEXITSTATUS(status)。

5.進程程序替換

替換原理

用 fork 創(chuàng)建子進程后執(zhí)行的是和父進程相同的程序 ( 但有可能執(zhí)行不同的代碼分支 ), 子進程往往要調(diào)用一種 exec 函數(shù)以執(zhí)行另一個程序。當進程調(diào)用一種exec 函數(shù)時 , 該進程的用戶空間代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換 , 從新程序的啟動例程開始執(zhí)行。調(diào)用exec 并不創(chuàng)建新進程 , 所以調(diào)用 exec 前后該進程的 id 并未改變。

程序替換，上邊紫色方框這一部分沒有發(fā)生改變，改變的只是，把要替換的進程加載到物理內(nèi)存，頁表重新建立了映射關系。

替換函數(shù)

其實有六種以 exec 開頭的函數(shù) , 統(tǒng)稱 exec 函數(shù)：

execl,execlp,execle,execv,execvp,execvpe這六個函數(shù)是系統(tǒng)提供的基本封裝，底層調(diào)用的都是execve這個系統(tǒng)調(diào)用接口。

函數(shù)返回值問題

這些函數(shù)如果調(diào)用成功則加載新的程序從啟動代碼開始執(zhí)行 , 不再返回。
如果調(diào)用出錯則返回 -1。
假設調(diào)用成功有返回值，但是這個返回值也是返回給原來調(diào)用這個exec*系列函數(shù)的進程，但是原來的這個進程已經(jīng)被程序替換掉了，所以也沒辦法返回，方法行不通。
所以 exec 函數(shù)只有出錯的返回值而沒有成功的返回值。