【Linux】进程控制：父进程与子进程

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1 进程创建

💭 在上一篇文章《进程的学习 —— Linux下的进程》中，频繁用到了fork来创建子进程。没错，fork正是Linux中创建进程的一个系统调用接口，下面将更深入地剖析fork的用法、作用、原理及特点。

1.1 认识fork

• fork是什么？

在linux中fork函数是非常重要的系统调用接口，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

• fork的工作机制？

🔎调用fork后，进程执行内核空间的fork函数代码，内核会做出如下操作：

1. 开辟新的内存空间、创建新的进程控制块，供新进程使用
2. 将父进程PCB数据结构部分拷贝至子进程中
3. 添加子进程到系统进程列表中
4. fork返回，调度器开始调度

⭕ fork前后执行流程图

• fork怎么用？

#include<unistd.h>// 包含头文件pid_tfork(void);// 函数声明

• fork的返回值问题

fork的返回值比较特殊，它是一个pid_t（可以视为是整型）类型的变量，若父进程创建子进程成功，fork给父进程返回子进程pid，给子进程返回0。若创建失败，则给父进程返回-1。

man手册中关于fork返回值的介绍

RETURN VALUE
       On success, the PID of the child process is returned in the parent, and 0 is returned in the child.  
       On failure, -1 is returned in theparent, no child process is created, and errno is set appropriately.

❓这里比较奇怪的是，为什么一个函数会有两个返回值呢❓

💡 fork在内核中也有属于自己的代码，那么fork函数内部，在return之前，肯定是已经创建完子进程并且分两个执行流了，父进程执行流会返回子进程的pid，子进程执行流会返回0。（不考虑创建进程失败的情况）

1.2 进程创建的目的

💭 创建进程的目的一般有如下两种：

1. 父进程希望生成一份自己的副本，执行同一个程序中不同的代码片段。
2. 让子进程执行不同的程序。（涉及进程替换，后文详细分析）

1.3 写时拷贝

📝父子进程的数据是共享的，在父子进程都没有对共享数据进行修改之前，这些数据对于父子进程来说都处于相同的地址（虚拟地址和物理地址）。当父子有任一方对共享数据做出修改时，就会发生写时拷贝。
写时拷贝的具体操作：OS在物理空间上开辟一块新的空间，并将欲修改数据拷贝过去，修改数据方对应的虚拟地址不变，物理地址指向新的物理内存空间（页表改变），然后再做修改。
写时拷贝保证了进程的独立性，父子进程的运行不会互相影响。

对于两种不同目的的进程创建，都会发生写时拷贝，只不过一个是拷贝数据，一个是拷贝代码。

⭕修改共享数据前

⭕修改共享数据后

1.4 进程创建失败的场景

1. 系统中有太多的进程
2. 实际用户的进程数超过了限制

🎈进程创建了，运行结束后，进程的退出也是大有讲究，下面将要探讨进程退出。

2 进程退出

💭 目前我们知道，子进程在退出之后，父进程回收前，会保持僵尸状态，以保存其退出信息，并等待父进程回收。那么这里的退出信息是什么？父进程又是如何回收子进程的退出信息状态的？下面分析。

2.1 进程退出状态

📝一般来说，进程退出的场景有如下三种：

1. 进程正常运行结束，运行结果正常
2. 进程正常运行结束，但运行结果错误
3. 进程异常终止。

🔎Linux中用 进程退出码（code） 表示进程正常结束的状态，用 进程退出信号（SIG） 表示进程异常退出的原因。二者的本质就是进程PCB中的两个数字，当进程处于僵尸状态时，程序退出，PCB保存着退出状态信息。

2.2 进程退出的方式

1️⃣正常退出

1. main函数return退出
2. 调用 exit 退出
3. 调用_exit 退出

正常退出时，可以用echo指令在命令行上查看退出码。(正常退出时，退出信号为0)

echo$? // 查询最近结束的进程的退出码

2️⃣异常终止

1. ctrl+c 终止前台进程
2. 给进程发送终止信号

⭕图为kill指令提供的终止信号，一个数字代表一种信号。

2.3 exit、_exit、return

2.3.1 概念

• exit

🔎 exit是一个用户级的函数，功能是终止当前执行的进程，并返回指定的退出码。

#include<stdlib.h>// 所在头文件voidexit(int status);// status是返回的退出码

一般规定:

• exit(0) 正常退出
• exit(!0) 异常退出

⭕ 写一段C代码验证：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>intmain(){printf("hello world\n");exit(123);}

⭕ 结果：

[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ ./test
hello world
[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ echo$?123 // 查询到退出码为我们exit参数指定的值

💡 exit的参数statue默认只有低八位有效，且视为无符号，所以当我们给exit传入-1时，退出码为255。退出码的范围是

[0~255]

。

⭕ 验证

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>intmain(){printf("hello world\n");exit(-1);}

[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ ./test
hello world
[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ echo$?255

• _exit

🔎与exit不同的是，_exit是一个系统调用接口，是由系统提供的（exit函数是C函数库提供的）。而exit最后也要调用_exit接口，相当于exit是对_exit的封装，功能比_exit更多。

#include<unistd.h>// 所在头文件void_exit(int status);// 参数与exit函数相同

• return

⭕ return是最为常规的进程退出方式。在main函数中执行

return n

相当于执行

exit(n)

，因为调用main函数的运行时函数会将main函数的返回值当作exit的参数。需要注意的是，在main函数中return才能退出进程，在其它函数中return只起到函数返回的作用。

2.3.2 区别

1. exit函数是C函数库提供的用户级函数，_exit是系统调用函数。
2. return是C语言的关键字，exit、_exit是函数。
3. return是语言级别的，表示调用堆栈的返回。而exit是系统调用级别的，表示一个进程结束
4. return用于结束一个函数的执行，将函数的执行信息传出个其他调用函数使用；exit函数是退出应用程序，删除进程使用的内存空间，并将应用程序的一个状态返回给OS(操作系统)，这个状态标识了应用程序的一些运行信息，这个信息和机器和操作系统有关，一般是 0 为正常退出，非0 为非正常退出。
5. 非主函数中调用return和exit效果很明显，但是在main函数中调用return和exit的现象就很模糊，多数情况下现象都是一致的。

—— 参考文章《C语言中的exit()函数》

3 进程等待

3.1 理解进程等待

💭了解子进程如何退出并返回退出状态后，接下来就不得不提到，父进程该如何回收子进程的退出状态？

🔎进程退出后处于僵尸状态，程序退出，PCB暂时保留，其中保存着该进程的退出状态。父进程通过进程等待的方式获取子进程的退出状态，回收子进程资源。

为什么要进行进程等待？

防止内存泄漏！

一个进程一旦进入僵尸状态，即使用

kill -9

命令也无法将其杀掉，因为谁也没办法杀掉一个已经死去的进程。若父进程不回收处于僵尸状态的子进程，积少成多，很可能出现内存泄漏的问题

获知子进程的任务完成情况！
父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出

3.2 进程等待的方式

3.2.1 wait和waitpid

💭介绍两个用于进程等待的函数

• wait功能：等待任一子进程退出，并回收子进程资源，获取子进程退出码

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

返回值：成功，返回被等待进程pid；
       失败（如父进程没有子进程），返回-1;
       
status：输出型参数，写入被等待进程的退出状态到该指针执行的空间中。不关心退出状态，可设置为NULL

• waitpid功能：可通过pid指定某一子进程等待其退出，并回收子进程资源，获取子进程退出码

// 头文件#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>pid_twaitpid(pid_t pid,int* status,int options);

返回值：被等待进程正常退出，返回被等待进程pid。
       若options参数传入WNOHANG,调用中waitpid发现没有已退出的子进程可回收,则返回0。
       调用失败(如pid不合法等)，返回-1。
pid：
    pid>0：等待回收相应pid的子进程
    pid=-1：等待任一子进程，等价于wait

status
    写入被等待进程的退出状态
    
options:
    WNOHANG：若pid相应的子进程没有结束，waitpid返回0，不予以等待。若正常结束，返回子进程pid。

⭕注意：

1. 如果子进程已经退出（此时的子进程是僵尸状态），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。
2. 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。
3. 如果不存在（对应的）子进程，则立即出错返回。

💬 非法情况验证

情况1️⃣

intmain(){int ret =wait(NULL);// 当前进程并没有子进程，无法进程等待，wait调用失败printf("%d\n",ret);return0;}

⭕执行结果：

情况2️⃣

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>intmain(){pid_t id =fork();if(id ==0){printf("I am child\n");exit(0);}int ret =waitpid(id+1,NULL,0);// pid为id+1的子进程不存在，无法进程等待，waitpid调用失败printf("%d\n",ret);return0;}

⭕执行结果：

3.2.2 status位图结构

💭聊聊参数status
wait/waitpid都有一个参数status，该参数为一个输出型参数，是一个指针，指向一个int类型（32位）的变量，调用wait/waitpid时由OS向status指向的空间写入被等待进程的退出状态，若传入的status为NULL空指针，表示不关心被等待进程退出状态，OS则不会写入。不能将*status简单看成整型对待，其结构可视为位图结构（并且只研究低16位），具体如下图：

core dump标志：程序退出时，是否保存异常信息

• 基于这样的位图结构，我们可以通过位运算的方法，提取退出码或退出信号。

int stat =*status

退出码：(stat>>8)&0xff
退出信号：stat &0x7f
core dump标志：(stat>>7)&1

💬 来段代码测试一下：

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>intmain(){pid_t id =fork();if(id ==0){printf("I am child procss, and my pid is %d\n",getpid());sleep(5);exit(6);// 传个6作为子进程退出码}int status =0;waitpid(id,&status,0);// 等待五秒后，OS向status写入子进程退出状态printf("sig:%d\ncore dump flag:%d\nending code:%d\n",status &0x7f,(status>>7)&1,(status>>8)&0xff);return0;}

⭕ 子进程正常退出的情况，退出码、退出信号等信息符合预期

⭕ 子进程被信号杀掉的情况，符合预期。

• 除了位运算的方式，我们还可以利用宏函数来获取退出状态。

🔎wait/waitpid的头文件中还包含了一些宏函数，帮助我们通过status指向的值提取退出码、退出信号。这里简单介绍几个。

// 关于退出码WIFEXITED(status): 若子进程正常终止，则为真（非零）。（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）

// 关于退出信号WIFSIGNALED(status)：若子进程异常终止（被信号所杀），则为真（非零）。（查看进程是否被信号所杀）
WTERMSIG(status)：若WIFSIGNALED非零，提取子进程退出信号。（查看进程退出信号）

💬 来段代码测试一下：

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>intmain(){pid_t id =fork();if(id ==0){printf("I am child procss, and my pid is %d\n",getpid());sleep(5);exit(6);}int status =0;waitpid(id,&status,0);if(WIFEXITED(status)){int ending_code =WEXITSTATUS(status);printf("%d\n",ending_code);}if(WIFSIGNALED(status)){int sig =WTERMSIG(status);printf("%d\n",sig);}return0;}

⭕ 两种情况都符合预期。

3.3 阻塞等待和非阻塞等待

• 什么是阻塞等待？

💬 看如下代码图：

fork创建子进程后，子进程和父进程执行不同代码段，因为子进程要休眠5秒才退出，父进程waitpid无法直接回收子进程，所以父进程会阻塞在waitpid处，一直等待子进程退出并返回退出信息后，才会继续运行。这种情况的进程等待，称之为阻塞等待。

• 什么是非阻塞等待？

💭父进程阻塞等待子进程的过程无法进行其他操作，只能干等，降低了运行效率。若想让父进程在等待的过程还能执行其他任务，可以采用轮询的方法。

1. 所谓轮询，就是让父进程间断性地去查询子进程是否退出，若子进程尚未退出，则不再阻塞等待，执行其他任务，若子进程已退出，则进行相关的回收操作。
2. 父进程以轮询的方式等待子进程退出，这种方法我们称之为非阻塞等待

实现非阻塞等待的方法：

给waitpid的第三个参数options传入宏WNOHANG。传入后，若waitpid发现相应pid的子进程尚未退出，直接返回0。利用这一特点结合while循环，便可实现非阻塞等待

💬具体代码实现

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#include<assert.h>voidother_task(){printf("The child process is still running, parent process is running other_task\n");}intmain(){pid_t id =fork();if(id ==0){// printf("I am child procss, and my pid is %d\n",getpid());printf("I am child process, and I am running\n");sleep(5);exit(0);}int status =0;while(1){pid_t ret =waitpid(id,&status,WNOHANG);assert(ret>=0);if(ret >0)// 子进程已退出{printf("ending code:%d\n",(status>>8)&0xff);break;// 退出循环，结束轮询}elseif(ret ==0)// 子进程尚未退出{other_task();// 父进程执行其他任务sleep(1);// 休眠一秒后再进行下一次轮询}}return0;}

⭕测试结果

4 进程替换

💭 还记得进程创建的目的吗？

1. 父进程希望生成一份自己的副本，执行同一个程序中不同的代码片段。
2. 让子进程执行不同的程序。

上文讨论的都是围绕进程创建第一个目的，而下面我们要谈谈如何让子进程执行不同的程序。

4.1 进程替换的原理

⭕ 想让子进程执行不同的程序，必须依赖于进程替换。使用fork函数创建子进程后，子进程与父进程的程序是相同的（只是可能执行不同分支），若想让子进程执行另一个程序，要用exec系列函数对子进程进行进程替换，执行新的程序。

值得注意的是，进程替换所替换的是进程的代码和数据，没有创建新的PCB，所以进程还是那个进程，pid不变。

另外，进程替换时会发生写时拷贝！保证父进程与子进程的独立性。从磁盘上加载新的代码程序到内存中时，子进程的页表会发生改变。

4.2 进程替换的函数

4.2.1 认识exec函数

💭 实现进程替换的函数是命名以exec开头的一系列函数，总共有六个

#include<unistd.h>// 所在头文件intexecl(constchar* path,constchar* arg,...);intexeclp(constchar* file,constchar* arg,...);intexecle(constchar* path,constchar* arg,...,char*const envp[]);intexecv(constchar* path,char*const argv[]);intexecvp(constchar* file,char*const argv[]);intexecvpe(constchar* file,char*const argv[],char*const envp[]);

参数：

1. path： 欲替换程序的路径
2. file： 欲替换程序的名称
3. arg： 命令行参数
4. argv[]： 命令行参数数组
5. envp[]： 环境变量表

注意：参数必须以NULL结尾

💭很好理解，要进行进程替换就要解决两个问题。去哪找程序来替换？替换后如何执行？上面这六个函数的参数用以解决这两个问题，参数的不同代表解决方法不同，path和file解决了去哪找的问题，而arg、argv[]解决了如何执行程序的问题。最后，我们还可以通过envp[]设置子进程的环境变量。

🔎这些函数若调用成功则加载新的程序并执行，不会返回值。只有调用失败时，才会返回-1。所以exec系列函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

🌰举个栗子，父进程创建一个执行ls程序的子进程

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>intmain(){int id =fork();if(id ==0)// 子进程{execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a","--color=auto",NULL);exit(1);// 因为execl会替换新的程序，所以如果子进程走到这里替换必定失败}wait(NULL);// 父进程回收子进程return0;}

⭕对比命令行下执行ls，发现符合预期。

💭其实还有一个函数execve，属于系统调用接口。以上6个函数都是对它进行封装得到的，底层都是调用execve。

#include<unistd.h>intexecve(constchar*filename,char*const argv[],char*const envp[]);

4.2.2 exec函数的命名理解

💭 掌握exec函数的命名规则，理解其意义，才能灵活地调用。

函数名带意义l （list）以列表的形式传递参数v（vector）以数组的形式传递参数p（path）直接传程序名，OS会从环境变量PATH中的路径去找e（environ）可自定义环境变量

5. 制作一个简易的Shell

💡综合进程创建、进程退出、进程等待和进程替换的知识，我们可以模拟制作一个简易的shell

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<assert.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#defineMAX_NUM1024#defineARG_NUM64char buf[MAX_NUM]={0};intmain(){while(1){// 用户标识符char* p =getenv("PWD");
        p+=strlen(p);while(*(p-1)!='/'){--p;}printf("[%s@%s %s]$ ",getenv("USER"),getenv("HOSTNAME"),p);fflush(stdout);// 获取参数char* s =fgets(buf,sizeof(buf)-1,stdin);
        s[strlen(s)-1]='\0';assert(s!=NULL);// 分割字符串char* my_argv[ARG_NUM];
        my_argv[0]=strtok(buf," ");int i =1;while(my_argv[i++]=strtok(NULL," "));// 进程替换pid_t id =fork();if(id ==0){execvp(my_argv[0],my_argv);exit(1);}wait(NULL);}return0;}