Linux：进程等待 & 进程替换

当一个进程死亡后，会变成僵尸进程，此时进程的PCB被保留，等待父进程将该PCB回收。那么父进程要如何回收这个僵尸进程的PCB呢？父进程通过进程等待的方式，来回收子进程的PCB，并得知子进程的退出信息。

进程等待

进程等待用于回收子进程的资源，避免子进程的PCB一直占用资源，并且可以获取子进程的退出信息，得知子进程任务的执行情况，进程等待主要通过两个系统调用接口wait和waitpid来完成。

wait接口

使用wait接口，需要包含头文件<sys/types.h>和<sys/wait.h>，其函数原型为：

pid_t wait(int* stat_loc);

其接收一个int*指针，该参数是一个输出型参数，用于返回子进程的相关推出信息。

而wait的返回值是一个int类型：

• 返回值大于0：返回等待到的子进程的pid
• 返回值小于0：等待失败

用一段代码来演示一下：

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

int main()
{
    pid_t id = fork();

    if(id == 0)
    {
        int cnt = 5;
        printf("I'm child, pid = %d\n", getpid());

        while(cnt--)
        {
            sleep(1);
            printf("%d\n", cnt);
        }

        return 5;
    }

    int status = 0;
    int ret = wait(&status);

    printf("wait over! status = %d, ret = %d\n", status, ret);

    return 0;
}

以上代码中，先通过fork创建了一个子进程，子进程进入if语句，进行五秒倒计时，然后退出，并且退出码为-5。父进程则通过wait函数进行等待，传入指针&status，接收返回值ret，最后输出status和ret的值。

输出结果：

首先，子进程的pid为34890，而wait的返回值就是子进程的pid。其次，status一开始被初始化为0，wait之后，status = 1280，可知wait确实会修改传入的参数。

而这中间还有一个细节，那就是子进程总共sleep了五秒，而父进程在等待的这五秒中，啥事也没干，就等着子进程结束，然后对它进行回收，这个过程父进程处于阻塞状态，称为阻塞等待。

简单了解wait后，那么现在的问题就是，status为什么是1280？

status

status要当作一个位图来看：

• 灰色部分：status是一个int类型，占32比特，但是后16比特是无效的，不填入任何内容
• 黄色部分：第8 - 15位，共8比特，用于表示wait到的子进程的退出码
• 绿色部分：第7位，core dump标志位本博客不关心该位置

• 蓝色部分：第0 - 6位，共7比特，用户表示wait到的子进程的退出信号

那么我们要从status中提取出退出码和退出信号，就要对其进行位操作：

status直接与01111111进行按位与&，就能得到退出信号，01111111的十六进制表示为0X7F

int sig = status & 0x7F;

status右移8位后，与11111111进行按位与&，就能得到退出码，11111111的十六进制表示为0XFF

int code = (status >> 8) & 0xFF;

现在在代码的最后加上这样一段：

int sig = status & 0x7F;
int code = (status >> 8) & 0xFF;

printf("exit code = %d, signal = %d\n", code, sig);

现在运行一下进程：

现在我们可以看到，子进程的退出码为5，退出信号为0了。你也可以尝试在另外一个窗口对进程发送信号，看看信号接收是否准确，本博客不演示了。

Linux还给用户提供了两个宏函数，用于检测status：

WIFEXITED：检测进程是否正常退出，返回一个布尔值，如果进从正常退出，返回真

WEXITSTATUS：提取子进程的退出码，也就是第8 - 15位

if(WIFSIGNALED(status))
    printf("exit code = %d\n", WEXITSTATUS(status));
else
    printf("子进程退出异常...\n");

这样就可以更简单的提取错误码了。

waitpid接口

进程等待的另外一个接口是waitpid接口，需要包含头文件<sys/types.h>和<sys/wait.h>，其函数原型为：

pid_t waitpid(pid_t pid, int* stat_loc, int options);

相比于wait接口，该接口功能更丰富和强大，但是使用也更加麻烦。

一个进程是可以有多个子进程的，一个wait只能等待一个子进程，如果有多个子进程，那么wait函数等待第一个结束的子进程。而waitpid则是针对pid来对进程进行等待。

其第一个参数传入子进程的pid，第二个参数用于接收推出信息，也就是刚刚的status，第三个参数用于控制等待的模式。

现在我们先用以下代码来验证一下wait和waitpid的区别：

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

int main()
{
    pid_t id1 = fork();

    if(id1 == 0)
    {
        printf("I'm child1, pid = %d\n", getpid());
        sleep(5);
        return 0;
    }

    pid_t id2 = fork();

    if(id2 == 0)
    {
        printf("I'm child2, pid = %d\n", getpid());
        sleep(1);
        return 0;
    }

    int status = 0;
    int ret = wait(&status);

    printf("wait over! pid = %d\n", ret);
    sleep(10);

    return 0;
}

以上代码中，我们通过fork创建了两个子进程，第一个子进程输出自己的pid后会sleep五秒，而第二个子进程输出pid后sleep一秒。父进程只wait一次，最后父进程输出wait的返回值，而返回值就是等待到的子进程的pid，这样就可以判断wait到了哪一个子进程。输出结果：

child1的pid = 35042，child2的pid = 35043，而wait的返回值为35043，说明wait到了第二个进程。因为第二个进程先结束，所以被wait先接收了。

现在我们把wait改为waitpid：

int status = 0;
int ret = waitpid(id1, &status, 0);

现在我们通过waitpid的第一个参数，指定等待id1，也就是第一个子进程，其第三个参数先设为0，后续讲解该参数的作用。

输出结果：

这一次返回值和child1匹配上了，可以说明虽然child1更晚结束，但是waitpid只会等待指定的进程，如果有子进程先结束了，waitpid也不会回收它。

简单了解waitpid后，我们再来看看第三个参数。第三个参数用于控制进程等待的模式：

0：进行阻塞等待

WNOHANG：进行非阻塞等待

我在讲解wait时，简单提到了阻塞等待，也就是父进程在wait的时候，什么也不做，进入阻塞状态，直到wait成功。

而非阻塞等待不一样，进行非阻塞等待时，如果本次waitpid没有等待到，那么父进程不会阻塞，waitpid直接返回0，表示本次等待没有等待到子进程。此时父进程就可以空出时间去完成别的任务，而不是傻乎乎地死等了。

示例：

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

int main()
{
    pid_t id = fork();

    if(id == 0)
    {
        printf("I'm child, pid = %d\n", getpid());
        sleep(5);

        return 0;
    }

    int status = 0;

    while(1)
    {
        sleep(1);
        int ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);

        if(ret == 0)
        {
            printf("子进程未结束，执行其他任务...\n");
            //执行其他任务
        }
        else if (ret > 0)
        {
            printf("wait over! pid = %d\n", ret);
            break;
        }
        else
        {
            printf("waitpid错误!\n");
            break;
        }
    }

    return 0;
}

以上代码中先通过fork创建了一个子进程，子进程sleep五秒。父进程陷入一个while死循环，每次循环开始，都waitpid一次，以WNOHANG模式。由于该模式不会阻塞，只要当前子进程没有结束，那么waitpid直接返回，去执行后面的if语句。

如果当前返回值为0，说明当前子进程没有结束，那么父进程可以去做些别的事情，一秒后再回来检测子进程有没有结束。

如果当前返回值> 0，说明子进程结束了，waitpid也成功了，此时返回值就是子进程的pid ，跳出循环。

输出结果：

子进程一共执行五秒后才退出，以非阻塞等待的模式，父进程就可以把这五秒拿去做其他事情。

进程替换

通过fork创建的子进程，会继承父进程的代码和数据，因此本质上还是在执行父进程的代码。但是我们大部分时候创建子进程的目的是用于执行其它代码的，而不是父进程自己的代码，那么此时就要有操作，让进程去执行其他进程的代码，这个操作就叫做进程替换。

进程替换可以将别的进程的代码替换到自己的代码区，让自己去执行别人的代码。进程替换是通过exec系列系统调用接口实现的。

exec系列接口

先看看man手册中的exec：

exec系列接口整体还是比较复杂的，它们包含在<unistd.h>中，总共有六个接口，我们一个一个来讲解。

execl接口：

函数原型如下：

int execl(const char* pathname, const char* arg, ... /* (char  *) NULL */);

其接收两个固定的参数pathname和arg，以及一个可变参数...，也许你先前没了解过，这个...就是指可以接收任意个数的参数。

• pathname：用于指定替换的进程的路径
• arg：以何种方式运行进程
• ...：以何种方式运行该进程

另外的，函数声明中还有一小段备注/* (char *) NULL */，其意图告诉使用者：==使用可变参数...时，必须以NULL空指针来结尾。

也许你现在还不能很好理解这个接口的用法，我们先看一个示例：

当前目录结构如下：

当前目录下有一个test.c，在dir目录下有一个process.exe进程，该进程中的代码如下：

#include <stdio.h>

int main()
{
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("I am process.c!\n");
    }

    return 0;
}

也就是说，process.exe进程会输出五条I am process.c!，现在我们的目的是把进程process.exe替换到test.c中。

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("execl start!\n");

    execl("./dir/process.exe", "dir/process.exe", NULL);

    printf("execl over!\n");

    return 0;
}

其中execl("dir/process.exe", "dir/process.exe", NULL);就是进程替换的语句

• 第一个参数"dir/process.exe"：用于指明该进程的路径
• 第二个参数 "dir/process.exe"：它和第一个参数虽然一样，但只是一个巧合，如果你在当前目录下，要运行process.exe，你会执行什么样的指令？应该就是dir/process.exe，也就是说这个参数相当于你在命令行中输入的内容，这里只是碰巧路径和命令行输入的内容是一致的

• 第三个参数NULL：格式要求以NULL结尾

那么我们的代码就完成了先输出execl start!，然后替换process.exe到当前进程后，输出五条I am process.c!，最后输出execl over!，是这样吗？

看看结果：

可以看到，在execl start!之后，发送进程替换，把process.exe替换到当前进程后，输出了五条I am process.c!，但是最后一句execl over!消失了。

这是因为，进程替换不是简单的执行别的进程的代码，而是用别的进程的代码区覆盖掉自己原先的代码区，所以execl 一旦执行，整个进程的代码都被替换了，那么printf("execl over!\n");就会被覆盖掉，最后不输出。

刚刚的例子意图展示，在自己写的两个进程中，发送进程替换。那么我们在shell中执行的指令是不是也是进程呢？是的！所以我们也可以尝试去替换一些指令当我们自己的进程中，比如ls,pwd等指令。

现在我们尝试替换系统自带的一些进程到自己的进程中：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("----------- execl start! -----------\n");

    execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);

    return 0;
}

我们现在要替换ls指令到自己的进程中，ls指令在/usr/bin/ls中，我们希望以ls -l -a的形式来调用这个进程，因此我们的三个参数 "ls", "-l", "-a"就是这个指令拆分出来的三个字符串。现在你应该更好地理解了，中间这部分参数的作用，最后以NULL结尾。

输出结果：

我们成功在当前进程中，替换了ls指令，并且是以ls -l -a的形式调用的。

execlp接口：

函数原型如下：

int execlp(const char* file, const char* arg, ... /* (char  *) NULL */);

• file：用于指定替换的进程名称
• arg：以何种方式运行进程
• ...：运行该进程的选项
• 最后以NULL结尾

与刚刚的execl不同的是，第一个参数从pathname路径，变成了file文件名。

该接口的意思是：不用指明路径，只需指明替换的进程的名称，然后会自动去环境变量PATH指定的路径中查找。

也就是说：可以在系统中直接执行的指令，无需指明路径，只需要指明文件名就可以替换。

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("----------- execl start! -----------\n");

    execlp("ls", "ls", "-l", "-a", NULL);

    return 0;
}

现在我们依然要执行ls -l -a，但是我们用了execlp接口，ls是系统自带的指令，所以不用指明路径，系统会自己去查找。

• "ls"：要替换的进程名称为ls
• "ls", "-l", "-a"：以ls -l -a形式执行
• 以NULL结尾

执行结果：

和刚才一样，我们成功替换了ls指令到当前进程。

execle接口：

函数原型如下：

int execle(const char *pathname, const char *arg, ... /*, (char *) NULL, char *const envp[] */);

从函数原型，我们可以看到一些熟悉的参数：

• pathname：用于指定替换的进程的路径
• arg：以何种方式运行进程
• ...：以何种形式执行进程
• NULL

唯一不同的是，要求我们在NULL后面额外加一个char* const envp[]。

这个envp是一个指针数组，存储的是环境变量。一般来说，进程替换后，进程的环境变量是会用原先的环境变量的。

示例：

现在我们在process.exe中执行以下代码：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{

    for(int i = 0; env[i] != NULL; i++)
    {
        printf("%s\n", env[i]);
    }

    return 0;
}

process.exe会输出所有的环境变量，然后我们再在test.c中替换这个进程：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("----------- execl start! -----------\n");

    execl("dir/process.exe", "dir/process.exe", NULL);

    return 0;
}

输出结果：

test.c输出了一句----------- execl start! -----------后就去替换了process.exe，随后输出了默认的环境变量表。

而execle可以给替换后的进程指定环境变量表。

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("----------- execl start! -----------\n");

    char* const envp[] = {"A=aaa", "B=bbb", NULL};

    execle("dir/process.exe", "dir/process.exe", NULL, envp);

    return 0;
}

我自己伪造了一个环境变量表envp，并把它作为最后一个参数传递给替换后的进程。

输出结果：

可以看到，此时替换后的进程，环境变量表就变成了我们指定的变量表。

接下来我带大家回顾一下以上三个接口：

• execl：指定路径，进行进程替换
• execlp：指定文件名，进行进程替换
• execle：指定路径，进行进程替换，并给替换后的进程指定环境变量表

看到后面的三个接口，可以看到一些熟悉的身影：

int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

除去v字符，p和e的功能我们都了解，那么我就只以execv为案例：

execv接口：

函数原型如下：

int execv(const char *pathname, char *const argv[]);

相比于execl，其少了一个...的可变参数，改为了一个argv数组，而...就是用来指定以何种方式调用进程，或者说指定选项的，带有v系列的接口，将这些选项存储在一个数组中，然后把数组传入。

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("----------- execl start! -----------\n");

    char* const argv[] = {"ls", "-l", "-a", NULL};

    execv("/usr/bin/ls", argv);

    return 0;
}

我希望以ls -l -a形式调用ls，于是把ls，-l，-a三个字符串存储到数组argv中，并以NULL结尾。

汇总一下六个接口：

//list系列
int execl(const char* pathname, const char* arg, ... /* (char  *) NULL */);
int execlp(const char* file, const char* arg, ... /* (char  *) NULL */);
int execle(const char *pathname, const char *arg, ... /*, (char *) NULL, char *const envp[] */);
//vector系列
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);