深度剖析Linux中进程控制（下）
电子说
描述
三、进程等待
进程等待的必要性
- 子进程退出，父进程如果不读取子进程的退出信息，子进程就会变成僵尸进程，进而造成内存泄漏。
- 进程一旦变成僵尸进程，那么就算是kill -9命令也无法将其杀死，因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。
- 对于一个进程来说，最关心自己的就是其父进程，因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
- 父进程需要通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息。
获取子进程status
下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。
如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。
status是一个整型变量，但status不能简单的当作整型来看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具体细节如下（只研究status低16比特位）：
在status的低16比特位当中，高8位表示进程的退出状态，即退出码。进程若是被信号所杀，则低7位表示终止信号，而第8位比特位是core dump标志。
我们通过一系列位操作，就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。
exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F; //退出信号
对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。
- WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。
- WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。
exitNormal = WIFEXITED(status); //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status); //获取退出码
需要注意的是，当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。
进程等待的方法
wait方法
函数原型：pid_t wait(int* status);
作用：等待任意子进程。
返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。
参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0){
//child
int count = 10;
while(count--){
printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
exit(0);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = wait(&status);
if(ret > 0){
//wait success
printf("wait child success...\\n");
if(WIFEXITED(status)){
//exit normal
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
}
}
sleep(3);
return 0;
}
我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：
[cl@VM-0-15-centos procWait]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done
这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。
waitpid方法
函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
作用：等待指定子进程或任意子进程。
返回值：
1、等待成功返回被等待进程的pid。
2、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。
3、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：
1、pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。
2、status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
3、options：当设置为WNOHANG时，若等待的子进程没有结束，则waitpid函数直接返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的pid。
例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
int count = 10;
while (count--){
printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
exit(0);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
if (ret >= 0){
//wait success
printf("wait child success...\\n");
if (WIFEXITED(status)){
//exit normal
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
//signal killed
printf("killed by siganl %d\\n", status & 0x7F);
}
}
sleep(3);
return 0;
}
在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。
注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。
多进程创建以及等待的代码模型
上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子，实际上我们还可以同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出，这叫做多进程创建以及等待的代码模型。
例如，以下代码中同时创建了10个子进程，同时将子进程的pid放入到ids数组当中，并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标，之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t ids[10];
for (int i = 0; i < 10; i++){
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
printf("child process created successfully...PID:%d\\n", getpid());
sleep(3);
exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
}
//father
ids[i] = id;
}
for (int i = 0; i < 10; i++){
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
if (ret >= 0){
//wait child success
printf("wiat child success..PID:%d\\n", ids[i]);
if (WIFEXITED(status)){
//exit normal
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
//signal killed
printf("killed by signal %d\\n", status & 0x7F);
}
}
}
return 0;
}
运行代码，这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。
基于非阻塞接口的轮询检测方案
上述所给例子中，当子进程未退出时，父进程都在一直等待子进程退出，在等待期间，父进程不能做任何事情，这种等待叫做阻塞等待。
实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出，而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情，当子进程退出时再读取子进程的退出信息，即非阻塞等待。
做法很简单，向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG，这样一来，等待的子进程若是没有结束，那么waitpid函数将直接返回0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的pid。
例如，父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数，若是等待的子进程尚未退出，则父进程可以先去做一些其他事，过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
int count = 3;
while (count--){
printf("child do something...PID:%d, PPID:%d\\n", getpid(), getppid());
sleep(3);
}
exit(0);
}
//father
while (1){
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if (ret > 0){
printf("wait child success...\\n");
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
break;
}
else if (ret == 0){
printf("father do other things...\\n");
sleep(1);
}
else{
printf("waitpid error...\\n");
break;
}
}
return 0;
}
运行结果就是，父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出，若未退出，则父进程先去忙自己的事情，过一段时间再来查看，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
四、进程程序替换
替换原理
用fork创建子进程后，子进程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），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec函数。
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，并从新程序的启动例程开始执行。
当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？
进程程序替换之后，该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。
子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？
子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。
替换函数
替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：
一、int execl(const char *path, const char *arg, ...);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
二、int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
三、int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。
例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);
四、int execv(const char *path, char *const argv[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);
五、int execvp(const char *file, char *const argv[]);
第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);
六、int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。
例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。
char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);
函数解释
- 这些函数如果调用成功，则加载指定的程序并从启动代码开始执行，不再返回。
- 如果调用出错，则返回-1。
也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。
命名理解
这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：
- l(list)：表示参数采用列表的形式，一一列出。
- v(vector)：表示参数采用数组的形式。
- p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找。
- e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量。
事实上，只有execve才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的execve，所以execve在man手册的第2节，而其它五个函数在man手册的第3节，也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。
下图为exec系列函数族之间的关系：
做一个简易的shell
shell也就是命令行解释器，其运行原理就是：当有命令需要执行时，shell创建子进程，让子进程执行命令，而shell只需等待子进程退出即可。
其实shell需要执行的逻辑非常简单，其只需循环执行以下步骤：
- 获取命令行。
- 解析命令行。
- 创建子进程。
- 替换子进程。
- 等待子进程退出。
其中，创建子进程使用fork函数，替换子进程使用exec系列函数，等待子进程使用wait或者waitpid函数。
于是我们可以很容易实现一个简易的shell，代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define LEN 1024 //命令最大长度
#define NUM 32 //命令拆分后的最大个数
int main()
{
char cmd[LEN]; //存储命令
char* myargv[NUM]; //存储命令拆分后的结果
char hostname[32]; //主机名
char pwd[128]; //当前目录
while (1){
//获取命令提示信息
struct passwd* pass = getpwuid(getuid());
gethostname(hostname, sizeof(hostname)-1);
getcwd(pwd, sizeof(pwd)-1);
int len = strlen(pwd);
char* p = pwd + len - 1;
while (*p != '/'){
p--;
}
p++;
//打印命令提示信息
printf("[%s@%s %s]$ ", pass->pw_name, hostname, p);
//读取命令
fgets(cmd, LEN, stdin);
cmd[strlen(cmd) - 1] = '\\0';
//拆分命令
myargv[0] = strtok(cmd, " ");
int i = 1;
while (myargv[i] = strtok(NULL, " ")){
i++;
}
pid_t id = fork(); //创建子进程执行命令
if (id == 0){
//child
execvp(myargv[0], myargv); //child进行程序替换
exit(1); //替换失败的退出码设置为1
}
//shell
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); //shell等待child退出
if (ret > 0){
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status)); //打印child的退出码
}
}
return 0;
}
效果展示：
说明：
当执行./myshell命令后，便是我们自己实现的shell在进行命令行解释，我们自己实现的shell在子进程退出后都打印了子进程的退出码，我们可以根据这一点来区分我们当前使用的是Linux操作系统的shell还是我们自己实现的shell。
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