Linux系统编程之进程控制（进程创建、终止、等待及替换）

进程创建

在上一节讲解进程概念时，我们提到fork函数是从已经存在的进程中创建一个新进程。那么，系统是如何创建一个新进程的呢？这就需要我们更深入的剖析fork函数。

1.1 fork函数的返回值

调用fork创建进程时，原进程为父进程，新进程为子进程。运行man fork后，我们可以看到如下信息：

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

fork函数有两个返回值，子进程中返回0，父进程返回子进程pid，如果创建失败则返回-1。

实际上，当我们调用fork后，系统内核将会做：

• 分配新的内存块和内核数据结构（如task_struct）给子进程
• 将父进程的部分数据结构内容拷贝至子进程
• 添加子进程到系统进程列表中
• fork返回，开始调度

1.2 写时拷贝

在创建进程的过程中，默认情况下，父子进程共享代码，但是数据是各自私有一份的。如果父子只需要对数据进行读取，那么大多数的数据是不需要私有的。这里有三点需要注意：

第一，为什么子进程也会从fork之后开始执行？

因为父子进程是共享代码的，在给子进程创建PCB时，子进程PCB中的大多数数据是父进程的拷贝，这里面就包括了程序计数器（PC）。由于PC中的数据是即将执行的下一条指令的地址，所以当fork返回之后，子进程会和父进程一样，都执行fork之后的代码。

第二，创建进程时，子进程需要拷贝父进程所有的数据吗？

父进程的数据有很多，但并不是所有的数据都要立马使用，因此并不是所有的数据都进行拷贝。一般情况下，只有当父进程或者子进程对某些数据进行写操作时，操作系统才会从内存中申请内存块，将新的数据拷写入申请的内存块中，并且更改页表对应的页表项，这就是写时拷贝。原理如下图所示：

第三，为什么数据要各自私有？

这是因为进程具有独立性，每个进程的运行不能干扰彼此。

1.3 fork函数的用法及其调用失败的原因

fork函数的用法：

• 一个父进程希望复制自己，通过条件判断，使父子进程分流同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子 进程来处理请求。
• 如子进程从fork返回后，调用进程替换的函数，如exec等（将会在本节4.程序替换中讲解）。

fork函数调用失败的原因：

• 系统中进程太多
• 实际用户的进程数超过了限制

2.进程终止

2.1 进程终止的原因

进程终止的原因有三种

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果不正确
• 代码异常终止

2.2 常见的进程退出方法

进程正常终止

1.从main函数return，这是最常见的进程退出方法。在函数设计中，0代表正确，非0代表错误。其中不同的非0的退出码对应了退出原因。

2.调用exit或者_exit

_exit函数是系统调用，执行man _exit可以看到

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

status 定义了进程的终止状态。父进程可以通过wait来获得子进程的status（会在3.进程等待中讲解）。

需要注意的是，

exit函数是库函数，虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行echo $?发现返回值 是255。

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

从作用上来看，_exit和exit是相似的，exit是对_exit的封装，exit的执行实际上是通过调用_exit来实现的。

但是二者也有一些细微的差别，请看如下代码段：

代码1

int main()
{
 printf("Hello world");
 exit(0);
}

代码2

 #include<stdio.h>
 #include<unistd.h>
 int main()
 {
   printf("Hello world");
    _exit(0);                                                  }

相比于_exit函数，exit函数先要执行用户定义的清理函数，在冲刷缓冲区，关闭所有打开的流，将所有的缓存数据写入文件后，再调用_exit。因此我们可以看到，执行exit输出了“hello World"，而执行_exit并没有输出。

那么，return和exit有什么区别呢？

在普通函数中，return是用来终止函数的，只有在main函数中才是终止进程，而exit无论在哪里，一旦调用，整个进程就会终止。

3.进程等待

3.1 为什么要有进程等待？

在讲进程概念时我们提到，当子进程退出，父进程如果不管不顾，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，就可能会造成僵尸进程。如果该资源不能得到释放，就会导致内存泄漏。僵尸进程是不能使用 kill -9 命令清除掉的。因为 kill 命令只是用来终止进程的， 而僵尸进程已经终止。

同时，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们是需要知道的。例如，子进程运行完成，结果对还是不对， 或者是否正常退出。

因此，就需要父进程通过进程等待的方式，回收子进程的资源。

3.2 进程等待的方法

一个进程在终止时会关闭所有文件，释放在用户空间分配的内存，但它的 PCB 还保留着，内核在其中保存了一些信息：如果是正常终止则保存着退出状态，如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。当这个进程的父进程调用 wait 或 waitpid 获取这些信息后，才会将这个进程彻底清除掉。

一个进程的退出状态可以在 Shell 中通过运行echo $?查看，因为 Shell 是它的父进程，当它终止时 Shell 调用 wait 或 waitpid 得到它的退出 状态同时彻底清除掉这个进程。

3.2.1 wait函数

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

• 返回值：成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
• status：是一个输出型参数，将wait函数内部计算的结果通过status返回给调用者，父进程从而获取子进程退出状态，如果不关心子进程的退出状态则可以将参数设置成为NULL。

这里提一下输入型参数和输出型参数的区别，输入型参数是调用者给函数传的参数，而输出型参数是是函数将内部计算结果返回给调用者，因此输出型参数往往用指针。

父进程调用 wait 函数可以回收子进程终止信息。该函数有三个功能：

• 阻塞等待子进程退出
• 回收子进程残留资源
• 获取子进程结束状态(退出原因)。

当父进程调用wait得到传出参数status后，可以借助宏函数来进一步判断进程终止的具体原因：

WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）

WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，说明子进程正常终止，提取子进程退出码。（查看进程的退出码（exit 的参数)）

3.2.2 waitpid函数

作用同 wait，但waitpid可指定 pid 进程清理，可以通过非阻塞方式等待子进程退出。

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

pid：

• pid = -1，等待任一子进程退出，此时与wait等效
• pid > 0， 回收指定 ID 的子进程，pid为指定进程的进程号。如果不存在该子进程，则立即出错返回

status：

• 同wait

option：

• 0：阻塞模式，即父进程会阻塞在waitpid处，等到子进程退出后继续。
• WNOHANG: 非阻塞模式，若pid指定的子进程没有结束，则waitpid函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。一般情况下，非阻塞模式需要搭配循环使用。

注意：一次 wait 或 waitpid 调用只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环。

返回值：

• 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
• 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；
• 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

3.3.3 子进程的status

关于status的用法，我已经在wait函数处讲解，此处不再赘述。这里将从底层的角度剖析status的含义。

status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）。

我们以下一段代码为例，来展示一下非阻塞等待方式

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
   pid_t pid;

    pid = fork();
    if(pid < 0){
       printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
        return 1;

    }else if( pid == 0  ){ //child
     printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
     sleep(5);
     exit(1);
    } else{
       int status = 0;
       pid_t ret = 0;
       do
       {
       ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待
       if( ret == 0  ){
       printf("child is running\n");
       }
       sleep(1);
       }while(ret == 0);

       if( WIFEXITED(status) && ret == pid  ){
          printf("wait child 5s success, child return codeis:%d.\n",WEXITSTATUS(status));
          }else{
          printf("wait child failed, return.\n");
          return 1;
          }
    }
     return 0;
}

这段代码先创建子进程，让子进程等待5s再退出，父进程每1s检查一下，5s后子进程退出，ret将变成子进程的进程号，退出循环等待。最终的运行结果如下：

4.进程替换

4.1进程替换的原理

在讲进程替换原理前，我们需要先知道什么是进程替换。在讲fork函数时我们提到，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），如果此时我们用一个新的程序替换掉子进程的地址空间、代码段和数据，子进程将会从新程序的启动例程开始执行，这就是进程替换。

进程替换并不是创建新的进程，因为替换前后该进程的PID并未改变。

4.2 环境变量

进程替换需要用到一种exec函数，在讲exec函数族之前，我们先介绍一下环境变量的概念。

4.2.1常见的环境变量

按照惯例，环境变量字符串都是name=value 这样的形式，大多数 name 由大写字母加下划线组成，一般把name 的部分叫做环境变量，value 的部分则是环境变量的值。

环境变量定义了进程的运行环境，具有全局属性，因此设置环境变量时要加export，一些比较重要的环境变量的含义如下：

PATH

可执行文件的搜索路径。ls 命令也是一个程序，执行它不需要提供完整的路径名/bin/ls， 然而通常我们执行当前目录下的程序 a.out 却需要提供完整的路径名./a.out，这是因为 PATH 环境变量的值里面包含了 ls 命令所在的目录/bin，却不包含 a.out 所在的目录。

PATH 环境变量的值可以包含多个目录，用:号隔开。在 Shell 中用 echo 命令可以查看这个环境变量的值： echo $PATH

SHELL

当前 Shell，它的值通常是/bin/bash。

TERM

当前终端类型

HOME

当前用户主目录的路径，很多程序需要在主目录下保存配置文件，使得每个用户在运行该程序时都有自己的一套配置。

4.2.2与环境变量相关的函数

getenv函数

获取环境变量值： char *getenv(const char *name);

成功：返回环境变量的值；失败：NULL (name 不存在)

setenv 函数

设置环境变量的值 ：int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);

成功：返回0；失败： 返回-1

参数 overwrite 取值：

1：覆盖原环境变量

0：不覆盖。(该参数常用于设置新环境变量，如：HELLO = “hello”)

unsetenv 函数

删除环境变量 name 的定义： int unsetenv(const char *name);

成功：0；失败：-1

注意事项：name 不存在仍返回 0(成功)。

4.2.3 环境变量的组织形式

environ 变量是一个char * 类型，存储着系统的环境变量。*每个程序都会收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以’\0’结尾的环境字符串。

4.3 exec函数族

4.3.1 exec函数族的使用

知道了环境变量的概念后，再简要介绍一下命令行参数。当我们在某个目录下输入ls -a 和ls -l时，会有如下显示：

我们发现，同样的ls命令，由于后面所跟的字符串不同，显示了不同的结果。这里的“-a”，“-l”被称为参数。实际上，一个程序内可以通过加入参数，让相同的程序执行不同的功能。

接下来我们来介绍进程替换必不可少的函数族——exec函数族。

其实有六种以 exec 开头的函数，统称 exec 函数：

int execl(const char *path, const char *arg, ...); 

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

int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

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

int execvp(const char *file, char *const argv[]); 

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

注意：这些函数如果调用成功则加载新的程序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！

这些函数如何使用，我们来看下面这段代码：

#include <unistd.h>
int main()
{
 char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};//argv[0]始终是程序名
 char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
 //execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);

 // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 //execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);

 // 带e的，需要自己组装环境变量
 //execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);

 //execv("/bin/ps", argv);

 // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 //execvp("ps", argv);

 // 带e的，需要自己组装环境变量
 execve("/bin/ps", argv, envp);
 exit(0);
}

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve。

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。

• l(list) : 表示参数采用列表，如果采用列表形式，const char *arg中的第一个参数必须是可执行程序本身，如上例中的 “ps”。
• v(vector) : 参数用数组 ，v和l只能二选一
• e(env) : 表示自己维护环境变量，有e参数中就需要有char *const envp[]
• p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH，第一个参数直接输入程序名即可，且有p一定没有e，因为有表示已经自动添加了环境变量，如果没有p则需要输入对应程序的路径

4.3.2 进程替换的应用

我们平时使用的shell读取命令和分析命令就是一个很典型的例子，如下图所示：

我们平时输入的如ls -a等命令实际上是一个个可执行程序。当shell读取一行命令时，shell会对命令进行解析，并且shell创建一个子进程，再通过调用execve，用可执行程序替换掉子进程，当程序执行完毕并且退出后，shell读取子进程的退出信息。这样，即便会出现程序崩溃的情况，也不会影响到shell本身。

以上就是关于进程控制的内容，主要分为四个方面——进程创建，进程终止，进程等待以及进程替换。有了以上的知识，我们已经可以实现一个很简易的shell，如何实现，请读者自行思考！