深度剖析Linux中進程控制（下）
三、進程等待
進程等待的必要性
- 子進程退出，父進程如果不讀取子進程的退出信息，子進程就會變成僵尸進程，進而造成內存泄漏。
- 進程一旦變成僵尸進程，那么就算是kill -9命令也無法將其殺死，因為誰也無法殺死一個已經死去的進程。
- 對于一個進程來說，最關心自己的就是其父進程，因為父進程需要知道自己派給子進程的任務完成的如何。
- 父進程需要通過進程等待的方式，回收子進程資源，獲取子進程的退出信息。
獲取子進程status
下面進程等待所使用的兩個函數wait和waitpid，都有一個status參數，該參數是一個輸出型參數，由操作系統進行填充。
如果對status參數傳入NULL，表示不關心子進程的退出狀態信息。否則，操作系統會通過該參數，將子進程的退出信息反饋給父進程。
status是一個整型變量，但status不能簡單的當作整型來看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具體細節如下（只研究status低16比特位）：
在status的低16比特位當中，高8位表示進程的退出狀態，即退出碼。進程若是被信號所殺，則低7位表示終止信號，而第8位比特位是core dump標志。
我們通過一系列位操作，就可以根據status得到進程的退出碼和退出信號。
exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出碼
exitSignal = status & 0x7F; //退出信號
對于此，系統當中提供了兩個宏來獲取退出碼和退出信號。
- WIFEXITED(status)：用于查看進程是否是正常退出，本質是檢查是否收到信號。
- WEXITSTATUS(status)：用于獲取進程的退出碼。
exitNormal = WIFEXITED(status); //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status); //獲取退出碼
需要注意的是，當一個進程非正常退出時，說明該進程是被信號所殺，那么該進程的退出碼也就沒有意義了。
進程等待的方法
wait方法
函數原型：pid_t wait(int* status);
作用：等待任意子進程。
返回值：等待成功返回被等待進程的pid，等待失敗返回-1。
參數：輸出型參數，獲取子進程的退出狀態，不關心可設置為NULL。
例如，創建子進程后，父進程可使用wait函數一直等待子進程，直到子進程退出后讀取子進程的退出信息。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id == 0){
//child
int count = 10;
while(count--){
printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
exit(0);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = wait(&status);
if(ret > 0){
//wait success
printf("wait child success...\\n");
if(WIFEXITED(status)){
//exit normal
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
}
}
sleep(3);
return 0;
}
我們可以使用以下監控腳本對進程進行實時監控：
[cl@VM-0-15-centos procWait]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done
這時我們可以看到，當子進程退出后，父進程讀取了子進程的退出信息，子進程也就不會變成僵尸進程了。
waitpid方法
函數原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
作用：等待指定子進程或任意子進程。
返回值：
1、等待成功返回被等待進程的pid。
2、如果設置了選項WNOHANG，而調用中waitpid發現沒有已退出的子進程可收集，則返回0。
3、如果調用中出錯，則返回-1，這時errno會被設置成相應的值以指示錯誤所在。
參數：
1、pid：待等待子進程的pid，若設置為-1，則等待任意子進程。
2、status：輸出型參數，獲取子進程的退出狀態，不關心可設置為NULL。
3、options：當設置為WNOHANG時，若等待的子進程沒有結束，則waitpid函數直接返回0，不予以等待。若正常結束，則返回該子進程的pid。
例如，創建子進程后，父進程可使用waitpid函數一直等待子進程（此時將waitpid的第三個參數設置為0），直到子進程退出后讀取子進程的退出信息。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
int count = 10;
while (count--){
printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
exit(0);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
if (ret >= 0){
//wait success
printf("wait child success...\\n");
if (WIFEXITED(status)){
//exit normal
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
//signal killed
printf("killed by siganl %d\\n", status & 0x7F);
}
}
sleep(3);
return 0;
}
在父進程運行過程中，我們可以嘗試使用kill -9命令將子進程殺死，這時父進程也能等待子進程成功。
注意： 被信號殺死而退出的進程，其退出碼將沒有意義。
多進程創建以及等待的代碼模型
上面演示的都是父進程創建以及等待一個子進程的例子，實際上我們還可以同時創建多個子進程，然后讓父進程依次等待子進程退出，這叫做多進程創建以及等待的代碼模型。
例如，以下代碼中同時創建了10個子進程，同時將子進程的pid放入到ids數組當中，并將這10個子進程退出時的退出碼設置為該子進程pid在數組ids中的下標，之后父進程再使用waitpid函數指定等待這10個子進程。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t ids[10];
for (int i = 0; i < 10; i++){
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
printf("child process created successfully...PID:%d\\n", getpid());
sleep(3);
exit(i); //將子進程的退出碼設置為該子進程PID在數組ids中的下標
}
//father
ids[i] = id;
}
for (int i = 0; i < 10; i++){
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
if (ret >= 0){
//wait child success
printf("wiat child success..PID:%d\\n", ids[i]);
if (WIFEXITED(status)){
//exit normal
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
//signal killed
printf("killed by signal %d\\n", status & 0x7F);
}
}
}
return 0;
}
運行代碼，這時我們便可以看到父進程同時創建多個子進程，當子進程退出后，父進程再依次讀取這些子進程的退出信息。
基于非阻塞接口的輪詢檢測方案
上述所給例子中，當子進程未退出時，父進程都在一直等待子進程退出，在等待期間，父進程不能做任何事情，這種等待叫做阻塞等待。
實際上我們可以讓父進程不要一直等待子進程退出，而是當子進程未退出時父進程可以做一些自己的事情，當子進程退出時再讀取子進程的退出信息，即非阻塞等待。
做法很簡單，向waitpid函數的第三個參數potions傳入WNOHANG，這樣一來，等待的子進程若是沒有結束，那么waitpid函數將直接返回0，不予以等待。而等待的子進程若是正常結束，則返回該子進程的pid。
例如，父進程可以隔一段時間調用一次waitpid函數，若是等待的子進程尚未退出，則父進程可以先去做一些其他事，過一段時間再調用waitpid函數讀取子進程的退出信息。
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
int count = 3;
while (count--){
printf("child do something...PID:%d, PPID:%d\\n", getpid(), getppid());
sleep(3);
}
exit(0);
}
//father
while (1){
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
if (ret > 0){
printf("wait child success...\\n");
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status));
break;
}
else if (ret == 0){
printf("father do other things...\\n");
sleep(1);
}
else{
printf("waitpid error...\\n");
break;
}
}
return 0;
}
運行結果就是，父進程每隔一段時間就去查看子進程是否退出，若未退出，則父進程先去忙自己的事情，過一段時間再來查看，直到子進程退出后讀取子進程的退出信息。
四、進程程序替換
替換原理
用fork創建子進程后，子進程執行的是和父進程相同的程序（但有可能執行不同的代碼分支），若想讓子進程執行另一個程序，往往需要調用一種exec函數。
當進程調用一種exec函數時，該進程的用戶空間代碼和數據完全被新程序替換，并從新程序的啟動例程開始執行。
當進行進程程序替換時，有沒有創建新的進程？
進程程序替換之后，該進程對應的PCB、進程地址空間以及頁表等數據結構都沒有發生改變，只是進程在物理內存當中的數據和代碼發生了改變，所以并沒有創建新的進程，而且進程程序替換前后該進程的pid并沒有改變。
子進程進行進程程序替換后，會影響父進程的代碼和數據嗎？
子進程剛被創建時，與父進程共享代碼和數據，但當子進程需要進行進程程序替換時，也就意味著子進程需要對其數據和代碼進行寫入操作，這時便需要將父子進程共享的代碼和數據進行寫時拷貝，此后父子進程的代碼和數據也就分離了，因此子進程進行程序替換后不會影響父進程的代碼和數據。
替換函數
替換函數有六種以exec開頭的函數，它們統稱為exec函數：
一、int execl(const char *path, const char *arg, ...);
第一個參數是要執行程序的路徑，第二個參數是可變參數列表，表示你要如何執行這個程序，并以NULL結尾。
例如，要執行的是ls程序。
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
二、int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
第一個參數是要執行程序的名字，第二個參數是可變參數列表，表示你要如何執行這個程序，并以NULL結尾。
例如，要執行的是ls程序。
execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
三、int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
第一個參數是要執行程序的路徑，第二個參數是可變參數列表，表示你要如何執行這個程序，并以NULL結尾，第三個參數是你自己設置的環境變量。
例如，你設置了MYVAL環境變量，在mycmd程序內部就可以使用該環境變量。
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);
四、int execv(const char *path, char *const argv[]);
第一個參數是要執行程序的路徑，第二個參數是一個指針數組，數組當中的內容表示你要如何執行這個程序，數組以NULL結尾。
例如，要執行的是ls程序。
char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);
五、int execvp(const char *file, char *const argv[]);
第一個參數是要執行程序的名字，第二個參數是一個指針數組，數組當中的內容表示你要如何執行這個程序，數組以NULL結尾。
例如，要執行的是ls程序。
char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);
六、int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
第一個參數是要執行程序的路徑，第二個參數是一個指針數組，數組當中的內容表示你要如何執行這個程序，數組以NULL結尾，第三個參數是你自己設置的環境變量。
例如，你設置了MYVAL環境變量，在mycmd程序內部就可以使用該環境變量。
char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);
函數解釋
- 這些函數如果調用成功，則加載指定的程序并從啟動代碼開始執行，不再返回。
- 如果調用出錯，則返回-1。
也就是說，exec系列函數只要返回了，就意味著調用失敗。
命名理解
這六個exec系列函數的函數名都以exec開頭，其后綴的含義如下：
- l(list)：表示參數采用列表的形式，一一列出。
- v(vector)：表示參數采用數組的形式。
- p(path)：表示能自動搜索環境變量PATH，進行程序查找。
- e(env)：表示可以傳入自己設置的環境變量。
事實上，只有execve才是真正的系統調用，其它五個函數最終都是調用的execve，所以execve在man手冊的第2節，而其它五個函數在man手冊的第3節，也就是說其他五個函數實際上是對系統調用execve進行了封裝，以滿足不同用戶的不同調用場景的。
下圖為exec系列函數族之間的關系：
做一個簡易的shell
shell也就是命令行解釋器，其運行原理就是：當有命令需要執行時，shell創建子進程，讓子進程執行命令，而shell只需等待子進程退出即可。
其實shell需要執行的邏輯非常簡單，其只需循環執行以下步驟：
- 獲取命令行。
- 解析命令行。
- 創建子進程。
- 替換子進程。
- 等待子進程退出。
其中，創建子進程使用fork函數，替換子進程使用exec系列函數，等待子進程使用wait或者waitpid函數。
于是我們可以很容易實現一個簡易的shell，代碼如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define LEN 1024 //命令最大長度
#define NUM 32 //命令拆分后的最大個數
int main()
{
char cmd[LEN]; //存儲命令
char* myargv[NUM]; //存儲命令拆分后的結果
char hostname[32]; //主機名
char pwd[128]; //當前目錄
while (1){
//獲取命令提示信息
struct passwd* pass = getpwuid(getuid());
gethostname(hostname, sizeof(hostname)-1);
getcwd(pwd, sizeof(pwd)-1);
int len = strlen(pwd);
char* p = pwd + len - 1;
while (*p != '/'){
p--;
}
p++;
//打印命令提示信息
printf("[%s@%s %s]$ ", pass->pw_name, hostname, p);
//讀取命令
fgets(cmd, LEN, stdin);
cmd[strlen(cmd) - 1] = '\\0';
//拆分命令
myargv[0] = strtok(cmd, " ");
int i = 1;
while (myargv[i] = strtok(NULL, " ")){
i++;
}
pid_t id = fork(); //創建子進程執行命令
if (id == 0){
//child
execvp(myargv[0], myargv); //child進行程序替換
exit(1); //替換失敗的退出碼設置為1
}
//shell
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); //shell等待child退出
if (ret > 0){
printf("exit code:%d\\n", WEXITSTATUS(status)); //打印child的退出碼
}
}
return 0;
}
效果展示：
說明：
當執行./myshell命令后，便是我們自己實現的shell在進行命令行解釋，我們自己實現的shell在子進程退出后都打印了子進程的退出碼，我們可以根據這一點來區分我們當前使用的是Linux操作系統的shell還是我們自己實現的shell。
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