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进程控制（一）

时间：2024-04-11 10:59:06浏览次数：21  
标签：fork 控制 cnt pid exit 进程 include

文章目录

1. 进程创建

1.1 fork函数初识

在linux中fork函数时非常重要的函数，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。

#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

在这里插入图片描述

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。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    printf("我是父进程！\n");
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        printf("创建子进程失败！\n");
        return 1;
    }
    else if(id == 0)
    {
        while(1)
        {
            //子进程
            printf("我是子进程，pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else 
    {
        while(1)
        {
            //父进程
            printf("我是父进程，pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

检测结果：

在这里插入图片描述

1.2 fork函数返回值

  • 子进程返回0
  • 父进程返回的是子进程的pid

问题: 那么，fork创建子进程，操作系统都做了什么？

解答: fork创建子进程，系统里多了以一个进程，而 进程 = 内核数据结构 + 进程代码和数据 ，其中内核数据结构通常由操作系统维护，而进程代码和数据一般从磁盘中来，也就是c/c++程序加载之后的结果！

  • 创建子进程，给子进程分配对应的内核结构，必须子进程自己独有了，因为进程具有独立性！
  • 理论上，子进程也要有自己的代码和数据！
  • 可是一般而言，我们没有加载的过程，也就是说，子进程没有自己的代码和数据！！
  • 所以，子进程只能“使用”附父进程的大妈和数据！

对代码而言：都是不可被写的，只能读取，所以父子共享，没有问题！

对数据而言：可能被修改，所以，必须分离！

创建进程的时候，就直接拷贝分离？？可能拷贝子进程根本那就不会用到的数据空间，即便用到了，也可能知识读取！

下面来看一段代码：

在这里插入图片描述

从结果可以看出，编译器编译程序时候，尚且知道节省空间！！

创建子进程，不需要将不会被访问的，或者指挥读取的数据拷贝一份。

但是你还必须得拷贝？ 什么样的数据值得拷贝呢？

一般而言，即便是操作系统，也无法体验知道哪些空间可能会被写入！那么即使提前拷贝了，你会立马使用吗？答案显而易见是不会的！！

所以操作系统选择了 写时拷贝 技术，来进行将父子进程的数据进行分离！！

2. 写时拷贝

通常，父子代码共享，父子在不写入时，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:

在这里插入图片描述

问题: 为什么要使用写时拷贝？

解答: 因为有写时拷贝技术的存在，所以父子进程得以彻底分离！完成了进程的独立性的技术保证！（写时拷贝的好处）；写时拷贝是一种演示申请技术，可以提高征集内存的使用率！

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

3. 进程终止

  1. 进程终止时，操作系统做了什么？

    • 当然要释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码（本质就是释放系统资源）

  2. 进程终止的常见方式？

    • 代码跑完，结果正确
    • 代码跑完，结果不正确
    • 代码没跑完，程序奔溃（信号部分）

  3. 用代码如何终止一个进程？

    • 只有main函数内的return退出码才是终止进程的！其他函数的return只是退出函数！
    • exit函数在任何位置被调用都是直接终止进程！！

我们在写c/c++代码时，再写main函数的最后总会return 0。那么

问题: main函数的返回值？main函数的返回的意义是什么? renturn 0的含义是什么，为什么总是0？

解答: main函数的返回值也叫进程退出码，其返回给上一级进程，用来评判进程执行结用的，可以忽略。

如果想要查看进程退出码，使用命令 echo $? 即可：

在这里插入图片描述

这些返回值都有一定的意义！！！

查看返回值的意义：

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

其中strerror( )函数可以返回return值的错误含义！！

显示结果：

在这里插入图片描述

0: 表示success成功的和含义。

这也就是为什么main函数最后为什么都会return 0了！！！

我们自己可以使用这些退出码和含义，但是如果想自己定义，也可以自己设计一套方案！（强烈不推荐）

3.1 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

3.2 进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

  • 从main返回
  • 调用exit
  • _exit

异常退出：

  • ctrl + c 信号终止
  • _exit函数

3.3 exit函数

#include <unistd.h>
void exit(int status);
参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过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。

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

对比结果，_exit并不对缓冲区进行刷新，而是直接调用了_exit ！！

exit最后也会调用_exit,但在调用exit之前，还做了其他工作：

  1. 执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。
  2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
  3. 调用_exit

在这里插入图片描述

3.4 return退出

return是一种更常见的退出进程方法。执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数

4. 进程等待

4.1 进程等待必要性

  • 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。
  • 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息

4.2 进程等待的方法

4.2.1 wait方法

#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。
//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

我们先来学一段僵尸进程：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, I am children, pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(0);
    }
    else 
    {
        //父进程 
        while(1)
        {
            printf("I am parent, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

测试代码：

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

监测结果：

在这里插入图片描述

五秒之后子进程便成为了僵尸状态！！！

然后用wait函数进行等待：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, I am children, pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(0);
    }
    else 
    {
        //父进程
        printf("I am paremt, pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
        sleep(7);
        pid_t ret = wait(NULL);  //阻塞式等待
        if(ret > 0)
        {
            printf("Wait child success, ret: %d\n", ret);
        }
        //基本无意义，只是用来做比较
        while(1)
        {
            printf("I am parent, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }

    return 0;
}

测试结果：

在这里插入图片描述

从结果可以看到，pid为78005就是子进程

4.2.2 waitpid方法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
//  waitpid(pid, NULL, 0) == wait(NULL)
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:  //等待型参数
        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）
    options:  //默认为0，表示阻塞等待
        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。若正常结束，则返回该子进程的ID。

使用waitpid进行测试：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, I am children, pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(0);
    }
    else 
    {
        //父进程
        printf("I am paremt, pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
        sleep(7);
        pid_t ret = waitpid(id,NULL,0);  
        if(ret > 0)
        {
            printf("Wait child success, ret: %d\n", ret);
        }
        while(1)
        {
            printf("I am parent, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }

    return 0;
}

测试结果：

在这里插入图片描述

  • 如果子进程已经退出，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。
  • 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。
  • 如果不存在该子进程，则立即出错返回。

在这里插入图片描述

4.2.3 获取子进程status

  • 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。
  • 否则，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。
  • 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）：

在这里插入图片描述

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, I am children, pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
        }
        exit(15);
    }
    else 
    {
        //父进程
        printf("I am paremt, pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(id,&status,0);  
        if(ret > 0)
        {
            //sign 表示 子进程收到的信号编号
            //exit sign 表示 子进程的退出码
            printf("Wait child success, ret: %d\n, sign: %d, exit sign: %d\n", ret,status & 0x7F, (status >> 8)&0xFF);
        }
    }
    return 0;
}

输出结果：

在这里插入图片描述

sign值为0，表示进程是正常退出！！

如果进程非正常退出，则sign的值为非0值，其原因可以通过查看kill指令来查看：

在这里插入图片描述

标签：fork,控制,cnt,pid,exit,进程,include
From： https://blog.csdn.net/qq_52725268/article/details/137550795

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