【Linux】进程控制深度了解（下）

【Linux】进程控制深度了解（上）       https://developer.aliyun.com/article/1565484

🌙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。

💫获取子进程状态status

       下面会介绍有关进程等待的两个函数wait和waitpid，它们都有一个status参数，改参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。如果对该参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。反之，操作系统会通过该参数，将子进程的退出状态信息反馈给父进程。

如何理解参数status？

       status实际上是一个整型变量，但是status不能当作整型里看待，因为status的不同的比特位所代表的信息不同（只研究低16位比特位）。在status的低16位比特位中，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，低7位表示终止信号，而第8位是core dump标志。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。

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

1.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。

举个栗子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
  pid_t id = fork();
  if (id == 0) 
  { 
    int count = 10;
    while (count--) 
    {
      printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
      sleep(1);
    }
    exit(0);
  }
  int status = 0;
  pid_t ret = wait(&status);
  if (ret > 0) 
  { 
    printf("wait child success...\n");
    if (WIFEXITED(status)) 
    {   
      printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
  }
  sleep(3);
  return 0;
}

利用指令对进程进行实时监控：

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

运行结果：

结果分析：

• 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。
• 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。

1.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. 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。

举个栗子：

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

运行结果：

结果分析：

• 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。
• 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

🌙进程程序替换

💫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 ), 子进程往往要调用一种 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。调用exec 并不创建新进程 , 所以调用 exec 前后该进程的 id 并未改变。

1.创建子进程的目的?

执行父进程磁盘代码的一部分；

让子进程加载磁盘上指定的程序到内存中，执行新程序的的代码和数据。

2.程序替换的本质

将指定程序的代码和数据加载到指定的位置

3.进程替换的时候，有没有创建新的进程？

   我们知道一个进程被创建出来，OS会给它分配进程PCB,mm_struct,页表等信息，同时会将程序的代码和数据加载到物理内存。要知道进程程序替换之后，该进程的PCB，进程地址空间，页表等信息都不会发生改变，仅仅是把一个新的程序的数据和代码替换了原来进程的代码和数据，只是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也没有改变。

4.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（调用exec函数）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分离，因此子进程进行进程程序替换后不会影响父进程的代码和数据。

💫替换函数

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。

举例：

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。

举例：

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。

举例：

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。

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。

举例：

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。

举例：

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。
• 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，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：

  🌟结束语

      今天内容就到这里啦，时间过得很快，大家沉下心来好好学习，会有一定的收获的，大家多多坚持，嘻嘻，成功路上注定孤独，因为坚持的人不多。那请大家举起自己的小手给博主一键三连，有你们的支持是我最大的动力💞💞💞，回见。