Linux详解 --- 进程管理3 (进程创建进程终止进程等待进程替换)

Posted 2022-02-03 wuqiongjin

文章目录

• 进程创建
• • fork函数
  • 进程创建与写时拷贝
  • • 写时拷贝
• 进程终止
• • 进程的退出码
  • 退出码相关的指令
  • 进程正常终止的3种方式
  • • exit与_exit
  • 进程的异常终止
  • 操作系统在进程终止时都做了哪些操作？
• 进程等待
• • 进程等待的方法
  • • wait方法
    • waitpid方法
• 进程替换
• • 替换原理
  • 替换函数
  • • 替换函数的命名规则
    • 替换函数的示例与解释
    • 替换函数之间的调用关系
    • 替换函数的注意事项与理解

进程创建

fork函数

  fork函数，可以从已存在的进程中创建一个新进程。

	pid_t fork(void);	//包含于<unistd.h>

· fork函数的返回值
  给子进程返回0；
  给父进程返回子进程的pid；
  fork调用数百返回-1；

· fork函数创建子进程的过程

1. OS为子进程开辟空间并创建task_struct结构体
2. OS为子进程创建进程地址空间mm_struct和页表
3. OS将父进程的部分数据拷入到子进程当中，并修改页表当中的映射关系
4. OS将子进程添加到系统中的进程列表中
5. fork函数进行返回

	int main()    
	    
	  pid_t id;    
	  id = fork();    
	  if(id == 0)	//fork返回值为0的就是子进程
	      
	    //Child    
	    printf("Child Process!!!\\n");    
	    sleep(3);    
	    exit(1);  //子进程强制退出,后面我会说
	      
	  else     		//fork返回值不为0的就是父进程
	  
	  	//Father
	    printf("Father Process\\n");    
	  
	 	
	  wait(NULL);    //等待子进程(我后面会说) 
	  return 0;    
	                                                                                                   

小细节：
问题：fork函数为什么会有2个返回值呢？
  我刚才讲述了fork函数创建子进程的过程，在第5步的时候，fork函数其实还没有结束调用，此时子进程已经被创建出来了，因此在返回的时候，会进行2次返回值的返回。
 

进程创建与写时拷贝

我们先来看一下下面的这段代码！

  我们在里面定义了一个全局变量g_val，在创建子进程后，父子进程分别对g_val进行打印，但是子进程打印之前先对g_val进行了修改。为了确保子进程先运行，我们让父进程先sleep(3)，大家可以猜一下运行的结果！

  这个运行的结果是不是很奇怪？子进程先修改了g_val，父进程再打印g_val的时候竟然是没修改之前的。那么这个g_val可不可能其实是2个变量？我们可以打印一下它们的地址看看。

  ？很奇怪吧，为什么地址都是一样的，值不一样呢？
 
解释：
  这里就不卖关子了，直接给出解释。首先，我们要知道进程运行时是具有独立性的！所以子进程修改g_val是不可能会影响父进程的。
  其次，这里实际上采用了写时拷贝的方法，子进程在对g_val进行修改的同时，OS为其重新开辟了一块空间，让修改的值放到了新的空间当中，并且修改页表的映射关系，让进程地址空间中的地址指向到新的空间当中！这样就导致了子进程和父进程打印的地址虽然是一样的，但是其实对应到物理内存当中的地址是不同的！我现在描述的这个过程就是写时拷贝的过程！
 

写时拷贝

问题：什么是写时拷贝？
  写时拷贝(copy-on-write)就是"写的时候才分配内存空间"，这是对程序性能的优化的一种方案，可以延迟甚至是避免内存拷贝。
问题：为什么要进行写时拷贝？
   ①：进程具有独立性！对于父子进程也是如此。
  ②：子进程不一定会修改父进程的数据，它只有在需要的时候才会进行写入。
  这是一种 按需分配、延迟分配 的思路。可以更高效的使用内存空间。

  

进程终止

· 进程终止的三种情况
  1. 代码运行完毕，结果正确
  2. 代码运行完毕，结果不正确
  3. 代码异常终止
注意：
  前两种是属于正常终止，最后一种是异常终止。
 
问题：main函数的返回值给了谁？
  操作系统
问题：为什么main函数要有返回值？
  因为要给用户看到这个进程运行完后完成的结果。(检查作业完成情况？hh)
 

进程的退出码

main函数的返回值实际上就是：进程的退出码
进程的退出码: 在task_struct中有一个变量叫exit_code就是用来存储退出码的值的。
进程的退出码分为：
  0：正常退出
  !0：运行结果不正确的退出

退出码相关的指令

	echo $?			#在命令行中打印最近一次的进程退出码
	strerror()		#打印退出码对应的相信信息描述
	#关于子进程退出时退出码的获取我会在后面(进程等待处说)

 

进程正常终止的3种方式

退出方式	是否刷新缓冲区	结束进程的函数作用域
return (在main中的)	刷新	只有在main函数中的return才会结束进程， 在其它函数中只会结束当前函数
exit	刷新	任何函数中
_exit	不刷新	任何函数中

exit与_exit

	void exit(int status);	//这里的status参数就是进程的退出码
	void _exit(int status);

exit函数会先去调用_exit函数，但是在调用_exit函数之前，它还会去做：

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

进程的异常终止

  进程异常终止，那么退出码就没有任何意义了！

进程异常终止一般都是通过发送信号给该进程，从而让该进程异常终止。
  信号的发送者有很多：可以是自己发送给自己，也可以是别人发送信号给当前进程，或者是OS系统发送信号终止该进程。
我这里举几个信号相关的例子，关于信号更详细的讲解我将放在后面的博客当中。

	SIGINT	#使用组合键ctrl + c就可以发送，作用是让当前进程终止
	SIGQUIT	#使用组合键ctrl + \\就可以发送，作用是让当前进程退出
	SIGSTP	#使用组合键ctrl + z就可以发送,作用是暂停当前进程

 

操作系统在进程终止时都做了哪些操作？

1. 释放进程加载到内存当中的代码和数据
2. 释放曾经向内存申请的数据结构, 如task_struct、mm_struct和页表
3. 从各种队列当中移除该进程
    
    

进程等待

问题：为什么需要进程等待？
  如果不进行进程等待，那么可能会导致子进程变成僵尸进程，僵尸进程的危害可以看(这里)
  父进程可以通过进程等待的方式，去回收子进程的资源以及获取子进程的退出信息。
 

进程等待的方法

wait方法

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

返回值：
  成功wait，返回被等待进程的pid
  失败，返回 -1
参数：
  输出型参数，获取进程退出状态，不关心可以设置成NULL

waitpid方法

	pit_t waitpid (pit_t pid, int* status, int options);

返回值：
  ①：成功wait，返回被等待进程的pid
  ②：失败(调用出错)，返回-1。//这时候errno会被设置成相应的值，去指示错误所在
  ③：WNOHANG被设置，在调用时没有等到子进程时，返回0。等待到子进程返回子进程pid
参数：
pid：
  pid = -1；代表等待任何一个进程。此时与pid等效
  pid > 0；等待子进程的pid与这里参数的id相同的子进程  //等相同pid的子进程
status：
  传的参数依然是 int status = 0;    //和pid的参数status使用方法相同
options：#控制进程是否 阻塞等待 还是非阻塞等待
  0：代表使用 阻塞等待的方式，挨个挨个 子进程去等待，等待期间不会做任何事情。
  WNOHANG：进行非阻塞等待。若未等到子进程，继续执行下面的代码，此时waitpid的返回值为0。 若等到子进程，则waitpid的返回值为子进程的pid

· status参数详解     //wait和waitpid中的status是一样的

status是个输出型参数，由操作系统填充。
操作系统将整形int的status分为3个部分取使用：
#低7位、第8位、次低8位
#下面的是数字按照距离第最低位的距离进行表示的
0 ~ 6 比特位：存放信号
7：core dump (核心转储)
8 ~ 15 比特位：存放退出码
 
更简单的判断方法(宏)：(用的多)
  WIFEXITED (status)：  #判断进程是否正常/异常终止
    判断子进程是否正常/异常终止。正常返回：返回值true。异常返回：返回值false
  WEXITSTATUS (status)：  #返回子进程的退出码（在进程正常退出的情况下）, 否则这个值无意义
    当WIFEXITED返回值为true，它可以返回子进程的退出码。
 
· 进程等待的代码演示

 

进程替换

替换原理

  进程的替换本质就是 当某个进程调用exec系列函数时，该进程的用户空间代码和数据将被新的程序的代码和数据进行替换，从新程序的启动例程开始执行 (从新程序的头开始执行)。

 

替换函数

	//均包含于<unistd.h>
	int execl (const char* path, const char* arg, ...);	//...表示可变参数，意思是可以传多个参数，类似于printf你进行输出的时候，也是可以输出多个参数的
	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[]);

  大家可能看一眼这些函数就觉得头大，其实我最开始也是这样的。但是在掌握下面的几条函数的命名规则与含义后，就能够豁然开朗了！
----->这里先教大家一个方便记忆的诀窍！<-----
exec系列函数 ：(搜索的指令名称， 命令函参数列表，//环境变量的导入)
               我要执行谁？我要怎么执行？环境变量的导入。
 

替换函数的命名规则

· l (list)：采用参数列表进行传参     （指使用 ... 可变参数列表）
· v (vector)：使用数组去进行传参     (将所有的命令函参数存入数组中，然后使用数组传参)
· p (path)：自动去环境变量PATH中进行搜索指令
· e (env)：自己维护的环境变量数组

组合规律：l 和 v 是相对的 、 e 和 p 是相对的。相对的不能同时组合！也就是说采用参数列表进行传参就不能在采用数组传参了，使用p去自动在PATH中搜索指令的话就不能自己维护环境变量数组了。下面给出组合的方式。
                                   l、lp、le                v、vp、ve
(l和v确定参数的传参形式、e和p确定程序的搜索位置)
 

替换函数的示例与解释

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-i", "-a", NULL);    
                                //带 l 的都需要在命令行参数的最后一个参数后面 + NULL
execlp("ls", "ls", "-l", "-i", "-a", NULL);
execle("./mycmd", "mycmd", NULL , my_envp); 
        //my_envp是自己写的环境变量数组，会传到你所调用的程序的main函数中的envp数组中
        //你所调用的程序中得到了你所传的环境变量数组后，就可以使用正常获取环境变量的方法去获取环境变量了

 

替换函数之间的调用关系

   这些函数都比较相似，OS才不会挨个挨个实现每个函数的。事实上，只有execve是系统调用接口，其他的函数是对该接口进行的封装。

 

替换函数的注意事项与理解

1. exec系列函数在成功调用后，会加载新的程序的代码和数据到现在的程序的位置上，并且会从头开始执行新程序的代码！
2. 调用出错返回 -1
3. exec系列函数只有出错时的返回值，没有成功的返回值。(因为成功了就不可能接收到返回值

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这里再次分享一下进程管理章节的思维导图以便大家总结：思维导图获取链接
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