【Linux】进程控制：创建终止等待

看到我请叫我滚去学习Orz 2023-07-15 原文

进程控制：创建终止等待

一、进程的创建

再谈fork()函数

在Linux中fork函数时非常重要的系统调用函数，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。
函数原型：

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

返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

分配新的内存块和内核数据结构给子进程
将父进程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当中
fork返回，开始调度器调度

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程，而且它们都运行到相同的地方，每个进程都将可以开始它们自己的运行。

所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。
注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

fork常规用法

一个父进程希望复制自己，使父子进程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。
一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。

fork调用失败的原因

系统中有太多的进程
实际用户的进程数超过了限制

写实拷贝

通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本，具体见下图:

二、进程的终止

进程退出场景：

代码运行完毕，结果正确
代码运行完毕，结果不正确
代码异常终止未运行完毕，即进程崩溃（崩溃的本质:进程因为某些原因，导致进程收到了来自操作系统的信号(kill -9)）

1、进程的退出码

C/C++里为我们提供了许多退出码，通过这些退出码，我们能知道代码运行完毕后的结果是否正确，如果不正确我们可以通过一些转化函数strerror()将退出码转换为退出信息，通过这些信息我们就可以知道知道为什么运行完毕结果不正确。

例如：我们写一些C语言代码时经常在结尾写上return 0,这个 0就是main()函数的退出码，我们之所以设置为0是因为0通常表示正常退出，其他数字表示异常退出。

下面我们来看看C语言为我们提供了那些退出码吧！

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
     for(int i = 0; i < 150; ++i)
     {
       printf("%d: %s\n", i, strerror(i));                                                                                                              
     }
    return 0;
}

C语言大概为我们提供了130多个错误码，其中0表示成功，

1 表示操作不被允许。
2 表示没有文件或目录
3 表示没有这个进程
4 表示系统调用冲突
5 表示 I/O 错误
…

在Linux中我们可以使用下面的命令查看：最近一次执行的进程的退出码!

echo $?

我们上一个进程就是test1c，而且我们设置的进程退出码就是0。我们来查看一下。

2、进程常见退出方法

进程的退出其实就是OS内减少一个进程，OS释放进程对应的内核数据结构+代码和数据

正常终止：（可以通过echo $? 查看进程退出码）

从main返回
调用exit （C语言提供的退出函数）
调用_exit （Linux提供的系统调用）

异常退出：
ctrl + c，信号终止
kill -9 信号终止

main函数return
main函数return，进程正常结束，但结果是否正确未知。其他函数return呢? 其他函数return仅仅代表该函数返回，进程执行时本质是main执行流执行!
exit函数
函数原型 :

参数：status 定义了进程的终止状态，父进程可以通过wait来获取该值
说明：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$?发现返回值是255。

在调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数，所以main函数中的 return status;也等价于exit (status);
注意：在代码的任意地方调用exit函数都表示进程退出!
我们看下面一段代码了解一下该函数的使用：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void PrintError()
{
    for(int i = 0; i < 150; ++i)
    {
        printf("%d: %s\n", i, strerror(i));
        //打印一次就退出整个进程
        exit(123);
    }
}
int main()
{
    PrintError();
    return 0;
}

可以看到进程按照我们给的退出码退出了，并且exit函数是直接让进程退出而不是让调用他的函数退出。

_exit函数
_exit函数是系统调用，它的使用与exit函数类似，参数也是一样的。

但是不同的时，exit底层封装的是_exit函数，exit将进程退出时会刷新缓冲区，而_exit将进程退出时并不会刷新缓冲区！

我们来看下面一段代码来验证一下上面的结论

//exit函数退出
#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h>
    int main() 
    {
   		 //停顿一秒后打印出"you can see me ?"
        printf("you can see me ?");
        sleep(1);
        exit(0);
        printf("you can see also me ?");
        return 0;
    }

运行结果：

//_exit退出
#include <stdio.h> 
#include <unistd.h>
    int main() 
    {
   		 //停顿一秒后直接退出不打印出"you can see me ?"
        printf("you can see me ?");
        sleep(1);
        _exit(0);
        printf("you can see also me ?");
        return 0;
    }

exit与_exit函数的对比

三、进程的等待

1、进程等待必要性

在学习进程等待之前，我们先来了解一下，进程为什么要进行等待？

之前我们说过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。
另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
最后，父进程需要知道派给子进程的任务完成的如何。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。
父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源。

2、什么是等待

等待:就是通过系统调用，获取子进程退出码或者退出信号，顺便释放内存问题。

3、进程等待的方法

进程等待的方法有两种：wait和 waitpid这两个函数都是Linux提供的系统调用。其中waitpid更加强大！具体详细使用可以使用man命令查看相关文档。

①wait函数
函数原型：

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

pid_t wait(int*status);

作用：等待任意一个子进程的状态变化。
返回值：成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
参数：输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL，如果为NULL 则wait函数仅仅起到回收子进程的作用

参数：status的详解

wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

我们知道进程的退出信息包含两种，一种是退出码，一种是退出信号，如果这两个值都各用一个变量保存，会让代码变的沉余，又因为这两种数据每个数据的大小都不会超过255，都可以用一个字节表示，于是我们用一个int的整形的不同区段来表示退出码与退出信号，因此status虽然是int类型但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，高16位被抛弃）：

status的次低八位的数据表示进程的退出状态，即退出码。终止信号用最低7位表示，终止信号的前一位表示 core dump信号（这里不做解释）。
例如下面一段数据在 status中表示，退出码为 6 ，退出信号为 0。

那么当我们将status传递给wait函数后，得到的数据怎么拿出来呢？答案是：按位与 &
如果我们想要拿到status中的退出码,我们可以(status >> 8) &0xFF,想要拿到退出信号可以status &0x7F

不过，在实际使用过程中，我们没有必要采取上面比较原始的方法，Linux为我们提供给两个宏函数，通过它们我们也能达到我们想要的效果：

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，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）

那么下面我们来看一看wait函数的使用吧！

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

int main() 
{
     pid_t id = fork();
      if (id == 0) 
      {
          //child process
          int second = 3;
          while (second) 
          {
              printf("我是子进程，我还活着呢，我还有%dS\n", second--);
              sleep(1);
          }
          exit(0);
       } 
       else if (id < 0)
       {
           perror("fork() fail:");
           return 0;
       }
       //parent process
       //此时子进程已经死亡，我们可以看到子进程处于僵尸状态Z
       sleep(5);
       //定义一个整形变量，方便从wait中获取子进程的状态信息
       int status = 0;
       int Pid = wait( & status);
       printf("我是父进程，等待子进程成功！子进程的pid是: %d, ", Pid);
       //判断子进程是正常退出还是异常退出
       if (WIFEXITED(status)) 
       {
       	   //如果是正常退出，就打印子进程退出码。
           printf("子进程的退出码是: %d\n", WEXITSTATUS(status));
       } 
       else 
       {
           printf("子进程退出异常\n");
       }
       //等待两秒，方便观察到子进程僵尸状态消失。
       sleep(2);
       return 0;
   }

代码运行结果：

在代码运行的过程中，打开另外一个窗口，输入下面的命令每隔一秒检测一下进程的状态变化

while :; do ps -axj | head -1 && ps -axj |grep test1c | grep -v grep ; sleep 1; echo "--------------"; done

我们可以看到下面的进程状态的变化：

这就是wait函数，以及进程退出信号退出码的使用，但是我们还要讨论一个问题，那就是，父进程在wait的时候在干什么呢？没错，父进程什么都没有做，就是在等待，但是有些时候，我们并不想让父进程在调用wait函数后只是进行等待，我们还想让父进程做一些其他的事情，这个时候我们就要使用功能更加强大的waitpid函数了。

②waitpid函数

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

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；

参数：
pid：
Pid = -1,等待任一个子进程。与wait等效。
Pid > 0，等待其进程ID与pid相等的子进程。
status:
输出型参数，表示子进程的状态。
options:
0，若设置为 0 则表示调用 waitpid时父进程将处于阻塞等待状态，与wait函数类似。
WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待，继续运行父进程。若子进程正常结束，则返回该子进程的ID。

我们来看一下非阻塞等待的使用：

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

int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0)
	{
		//child process
		int second = 3;
		while (second)
		{
			printf("我是子进程，我还活着呢，我还有%dS\n", second--);
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	else if (id < 0)
	{
		perror("fork() fail:");
		return 0;
	}
	//parent process
	int status = 0;
	while (1)
	{
		//读取子进程的状态，进行非阻塞等待
		int Pid = waitpid(id, &status, WNOHANG);
		if (Pid > 0)
		{
			printf("我是父进程，等待子进程成功！子进程的pid是: %d, ", Pid);
			if (WIFEXITED(status))
			{
				printf("子进程的退出码是: %d\n", WEXITSTATUS(status));
			}
			else
			{
				printf("子进程退出异常\n");
			}
			exit(-1);
		}
		//子进程状态若不改变，将会执行下面的代码
		else if (Pid == 0)
		{
			printf("我是父进程，子进程还没有退出呢！我在做一做其他事情\n");
			sleep(1);
		}
		//waitpid错误
		else
		{
			perror("waitpid() fail:");
			exit(-1);
		}
	}
	return 0;
}