目錄

前言

進程創(chuàng)建

fork函數(shù)初識

寫時拷貝

fork常見用法

fork調(diào)用失敗的原因

進程終止

進程退出場景

進程退出碼

查看進程退出碼

退出碼的含義

進程常見退出方法

exit VS _exit

exit函數(shù)

_exit函數(shù)

二者的區(qū)別

return退出

進程等待

進程等待必要性

進程等待的方法

wait方法

waitpid方法

獲取子進程status

進程的非阻塞等待

進程程序替換

替換原理

替換函數(shù)

execl

execlp

execle

execv

execvp

execve

函數(shù)解釋

命名理解（建議先看）

做一個自己的shell

前言

????????本片博客主要介紹Linux進程控制相關(guān)的內(nèi)容，主要從進程創(chuàng)建、進程終止、進程等待、進程程序替換這四個方面介紹，在我們學(xué)習(xí)了上述相關(guān)的進程控制操作后，我們最后會嘗試運用上述內(nèi)容實現(xiàn)一個我們自己的shell，感覺對自己有幫助的話記得給個三連哦。

進程創(chuàng)建

該部分主要介紹fork函數(shù)相關(guān)的內(nèi)容

fork函數(shù)初識

????????在Linux中fork函數(shù)是非常重要的函數(shù)，它從已存在進程中創(chuàng)建一個新進程。新進程為子進程，而原進程為父進程。

pid_t fork(void);

返回值介紹：

• 子進程中返回0，父進程返回子進程pid，出錯返回-1。

進程調(diào)用fork，當(dāng)控制轉(zhuǎn)移到內(nèi)核中的fork代碼后，內(nèi)核做：

• 分配新的內(nèi)存塊和內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給子進程

• 將父進程部分數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容拷貝至子進程

• 添加子進程到系統(tǒng)進程列表當(dāng)中

• fork返回，開始調(diào)度器調(diào)度

?

fork之后，父子進程的代碼共享，從fork后的位置開始一起運行。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <assert.h>
int main()
{
    printf("Before: pid:%d\n",getpid());

    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);    //檢測是否創(chuàng)建成功
    printf("Now:pid:%d , id:%d\n",getpid(),id);
    return 0;
}

打印結(jié)果顯示，子進程只執(zhí)行了fork之后的語句。

注意點：

• fork之前父進程獨立執(zhí)行，fork之后，父子兩個執(zhí)行流分別執(zhí)行。fork之后，誰先執(zhí)行完全由調(diào)度器決定。

寫時拷貝

????????通常，父子代碼共享，父子再不寫入時，數(shù)據(jù)也是共享的，當(dāng)任意一方試圖寫入，便以寫時拷貝的方式，各自一份副本。

為什么要采用寫時拷貝的方案？

• ?首先進程間具有獨立性，兩個進程之間不能夠相互影響，因而進程的代碼和數(shù)據(jù)理應(yīng)是獨立的，但如果我們每創(chuàng)建一個子進程就另起爐灶,會造成內(nèi)存空間的大量使用，且效率不高。
• 因而當(dāng)我們剛開始創(chuàng)建子進程時，我們不急于直接拷貝，當(dāng)子進程或者父進程需要對共享的數(shù)據(jù)進行修改時，子進程再進行拷貝，這種在需要進行數(shù)據(jù)修改時再進行拷貝的技術(shù)，稱為寫時拷貝。
• ?代碼段的數(shù)據(jù)大部分情況下不會進行寫實拷貝，但在進程替換時會。

fork常見用法

簡單用法模板：

pid_t id = fork();    //通過對id的判斷讓父子進程做不同的事情
if(id<0)             //出錯返回-1
{
    //打印錯誤信息或者終止當(dāng)前進程
}
else if(id == 0)  //子進程fork返回值為0
{
    //子進程做什么
}
else      //父進程fork返回值是子進程id > 0
{
	//父進程干啥    
}

fork常用場景：

1. 創(chuàng)建子進程后，在子進程內(nèi)通過進程程序替換執(zhí)行另一個程序。

2. 一個父進程希望復(fù)制自己，使父子進程同時執(zhí)行不同的代碼段。例如，父進程等待客戶端請求，生成子進程來處理請求。

fork調(diào)用失敗的原因

fork函數(shù)創(chuàng)建子進程也可能會失敗，有以下兩種情況：

1. 系統(tǒng)中有太多的進程，內(nèi)存空間不足，子進程創(chuàng)建失敗。

2. 實際用戶的進程數(shù)超過了限制，子進程創(chuàng)建失敗。

進程終止

該部分主要介紹退出碼，exit和_exit

進程退出場景

進程退出時，無非以下三種場景：

1. 代碼運行完畢，結(jié)果正確

2. 代碼運行完畢，結(jié)果不正確

3. 代碼異常終止

進程退出碼

查看進程退出碼

當(dāng)程序正常終止時，我們可以通過 echo $? 查看進程退出碼。

如運行以下程序后：

#include <stdio.h>
int main()
{
	return 0;
}

顯示出的就是return的值。

我們平時使用的指令也有退出碼

很明顯，我們平時使用的指令也是一個個寫好了的c程序。

退出碼的含義

通常，我們以0表示正常退出，非0表示異常退出。

????????C語言當(dāng)中，我們可以調(diào)用strerror函數(shù)，其可以通過錯誤碼，獲取該錯誤碼在C語言當(dāng)中對應(yīng)的錯誤信息。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    for(int i = 1;i<128;++i)
    {
        printf("%d: %s\n",i,strerror(i));
    }
    return 0;
}

????????退出碼的含義是人為規(guī)定的，C語言的錯誤信息只是一種參考，不同環(huán)境下相同的退出碼的對應(yīng)含義可能不同。

進程常見退出方法

正常終止：

1. 從main返回

2. 調(diào)用exit

3. _exit

異常終止：

• ctrl+c ，通過信號來終止

exit VS _exit

exit函數(shù)

?

使用exit函數(shù)時，我們需要帶stdlib.h的頭文件,很明顯,這是庫中的函數(shù)。

_exit函數(shù)

而_exit函數(shù)是一個系統(tǒng)調(diào)用，顯然，exit函數(shù)是對 _exit系統(tǒng)調(diào)用進行了封裝。

二者的區(qū)別

exit最后也會調(diào)用_exit, 但在調(diào)用_exit之前，還做了其他工作：

1. 執(zhí)行用戶通過 atexit或on_exit定義的清理函數(shù)。

2. 關(guān)閉所有打開的流，所有的緩存數(shù)據(jù)均被寫入

3. 調(diào)用_exit

?演示：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    printf("hello test "); //沒加\n ，不讓緩沖區(qū)刷新
    
    //exit(1);
    _exit(1);
}

exit時

結(jié)果在程序結(jié)束后打印出來了。

_exit時

程序運行結(jié)束后也沒打印。

return退出

????????return是一種更常見的退出進程方法。執(zhí)行return n等同于執(zhí)行exit(n),因為調(diào)用main的運行時函數(shù)會將main的返回值當(dāng)做 exit的參數(shù)。

進程等待

該部分主要介紹wait和waitpid

進程等待必要性

• 子進程退出，父進程如果不管不顧，就可能造成‘僵尸進程’的問題，進而造成內(nèi)存泄漏。

• 進程一旦變成僵尸狀態(tài)，就難以殺掉，即使發(fā)送9號信號也無能為力，因為誰也沒有辦法殺死一個已經(jīng)死去的進程。

• 父進程派給子進程的任務(wù)完成的如何，我們需要知道。如，子進程運行完成，結(jié)果對還是不對，或者是否正常退出。

• 父進程通過進程等待的方式，回收子進程資源，獲取子進程退出信息

進程等待的方法

wait方法

pid_t wait(int*status);

返回值：

• 成功返回被等待進程pid，失敗返回-1。

參數(shù)：

• 輸出型參數(shù)，獲取子進程退出狀態(tài),不關(guān)心則可以設(shè)置成為NULL。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //創(chuàng)建子進程失敗
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子進程
    {   
        printf("子進程運行,我的pid:%d\n",getpid());
        exit(0);
    }
    //父進程等待子進程
    sleep(5);
    int status;
    wait(&status);
    sleep(5);
    return 0;
}

????????我們創(chuàng)建了一個子進程，打印完后子進程退出，父進程5秒后才等待子進程，此時子進程應(yīng)該處于僵尸狀態(tài)，5秒后回收子進程，子進程消失，父進程再運行5秒后退出。

通過以下監(jiān)控腳本觀察情況是否如我們預(yù)料的一樣：

//監(jiān)控腳本
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess | grep -v grep ; sleep 1 ; done;

waitpid方法

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

返回值：

• 當(dāng)正常返回的時候waitpid返回收集到的子進程的進程ID；

• 如果設(shè)置了選項WNOHANG,而調(diào)用中waitpid發(fā)現(xiàn)沒有已退出的子進程可收集,則返回0；

• 如果調(diào)用中出錯,則返回-1,這時errno會被設(shè)置成相應(yīng)的值以指示錯誤所在；

參數(shù)講解：

• pid：

  • Pid=-1,等待任一個子進程。與wait等效。

  • Pid>0.等待其進程ID與pid相等的子進程。

• status(輸出型參數(shù)，獲取子進程退出狀態(tài),不關(guān)心則可以設(shè)置成為NULL):

  • WIFEXITED(status): 若為正常終止子進程返回的狀態(tài)，則為真。（查看進程是否是正常退出）

  • WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子進程退出碼。（查看進程的退出碼）

• options:

  • WNOHANG: 若pid指定的子進程沒有結(jié)束，則waitpid()函數(shù)返回0，不予以等待。若正常結(jié)束，則返回該子進程的ID。

注意點：

1. status中 WIFEXITED和WEXITSTATUS是定義好的宏函數(shù)。

2. options用于區(qū)分我們是進行阻塞等待還是非阻塞等待，阻塞等待直接填0即可，非阻塞等待就填WNOHANG。（后面會用代碼進行演示非阻塞等待）

獲取子進程status

• wait和waitpid，都有一個status參數(shù)，該參數(shù)是一個輸出型參數(shù)，由操作系統(tǒng)填充。

• 如果傳遞NULL，表示不關(guān)心子進程的退出狀態(tài)信息。

• 操作系統(tǒng)會根據(jù)該參數(shù)，將子進程的退出信息反饋給父進程。

• status不能簡單的當(dāng)作整形來看待，可以當(dāng)作位圖來看待，具體細節(jié)如下圖（只用了低16比特位）：

?通過位運算取出退出狀態(tài)和終止信號：

ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出狀態(tài)
Signal = (status & 0x7F);   //信號

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //創(chuàng)建子進程失敗
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子進程
    {   
        while(1)
        {
           printf("子進程pid: %d\n",getpid());
           sleep(1);
        }
    }
    //父進程等待子進程
    int status;
    waitpid(id,&status,0);
    int ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出狀態(tài)
    int Signal = (status & 0x7F);   //信號
    printf("子進程退出狀況：ExitCode:%d , Signal：%d\n",ExitCode,Signal);
    sleep(5);
    return 0;
}

進程的非阻塞等待

什么是非阻塞等待？

????????首先，父進程阻塞等待子進程時，父進程什么都干不了，只能等子進程結(jié)束后才能干其他事情。而非阻塞等待，就是我們通過輪詢的方式，執(zhí)行等待函數(shù)時，如果子進程還沒有結(jié)束，父進程就先繼續(xù)執(zhí)行自己的事情，等下次再來等待。

如何實現(xiàn)非阻塞等待？

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

第三個參數(shù)ｏｐｔｉｏｎｓ設(shè)置為WNOHANG即可．

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //創(chuàng)建子進程失敗
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子進程
    {   
        int count = 5;
        while(count--)
        {       
           sleep(1);
        }
        exit(1);
    }
    //父進程等待子進程
    int status;
    pid_t ret = 0;
    do
    {
        ret = waitpid(id,&status,WNOHANG);
        //父進程做自己的事情
        printf("子進程正在運行中\(zhòng)n");
        sleep(1);
    } while (ret == 0);
    // int ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出狀態(tài)
    // int Signal = (status & 0x7F);   //信號
    //使用一下宏函數(shù)
    if(WIFEXITED(status))
    {
        printf("子進程退出碼為%d\n",WEXITSTATUS(status));
    }
    else
    {
        printf("等待失敗\n");
    }
    sleep(5);
    return 0;
}

可以看到，在等待的同時，父進程也能打印，干自己的事情。

兩種等待方式并沒有優(yōu)劣之分，看情況使用即可。

進程程序替換

該部分主要講解替換的原理和六個exec函數(shù)

替換原理

????????用fork創(chuàng)建子進程后執(zhí)行的是和父進程相同的程序(但有可能執(zhí)行不同的代碼分支),子進程往往要調(diào)用一種exec函數(shù)以執(zhí)行另一個程序。當(dāng)進程調(diào)用一種exec函數(shù)時,該進程的用戶空間代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換,從新程序的啟動例程開始執(zhí)行。調(diào)用exec并不創(chuàng)建新進程,所以調(diào)用exec前后該進程的id并未改變（還是用原來的PCB、頁表等）。

?

替換函數(shù)

execl

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

參數(shù)：

• path表示要執(zhí)行的程序所在的路徑

• 可變參數(shù)列表，最后以NULL進行結(jié)尾

返回值：

• 失敗返回-1，并設(shè)置相應(yīng)的錯誤碼

使用：以ls命令為例

execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l".NULL);

execlp

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

參數(shù)：

• file表示要運行的程序名，系統(tǒng)會自動在環(huán)境變量PATH對應(yīng)的路徑下尋找

• 可變參數(shù)列表，最后以NULL進行結(jié)尾

返回值：

• 失敗返回-1，并設(shè)置相應(yīng)的錯誤碼

使用：以ls命令為例

execlp("ls","ls","-a","-l".NULL);

execle

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

參數(shù)：

• path表示要執(zhí)行的程序所在的路徑

• 可變參數(shù)列表，最后以NULL進行結(jié)尾

• envp數(shù)組中，每個位置都指向一個自己設(shè)定的環(huán)境變量

與execl的使用相比，進程程序替換后使用的環(huán)境變量需要我們自己來進行設(shè)置

//myprocess
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id<0) //創(chuàng)建子進程失敗
    {
        exit(1);
    } 
    else if(id == 0) //子進程
    {   
        char* env[]= { "MYVALUE=1234"};

        execle("./test",NULL,env);
        exit(1);
    }
    //父進程等待子進程
    int status;
    waitpid(id,&status,0);  
    int ExitCode = ((status>>8) & 0xFF); //退出狀態(tài)
    int Signal = (status & 0x7F);   //信號
    printf("ExitCode:%d , Signal:%d\n",ExitCode,Signal);
    sleep(5);
    return 0;
}

//test
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    char*s = getenv("PATH");
    char*p = getenv("MYVALUE");
    printf("S:%s\n",s);
    printf("P:%s\n",p);

    return 0;
}

可以看到，我們通過進程程序替換函數(shù)execle執(zhí)行的程序只認識我們自己設(shè)置的環(huán)境變量。

execv

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

與execl的區(qū)別就在于將后面的可變參數(shù)列表換成了指針數(shù)組。

以ls指令為例：

char*const argv[] = {"ls","-a","-l",NULL};
execv("/usr/bin/ls",argv);

execvp

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

????????與execvl的區(qū)別就在于將路徑改為程序名，就不多贅述了。

execve

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

????????參考上面execle的用法即可

?事實上,只有execve是真正的系統(tǒng)調(diào)用,其它五個函數(shù)最終都調(diào)用 execve,所以execve在man手冊 第2節(jié),其它函數(shù)在man手冊第3節(jié)。這些函數(shù)之間的關(guān)系如下圖所示：

函數(shù)解釋

• 這些函數(shù)如果調(diào)用成功則加載新的程序從啟動代碼開始執(zhí)行,不再返回。

• 如果調(diào)用出錯則返回-1。

• 所以exec函數(shù)只有出錯的返回值而沒有成功的返回值。

命名理解（建議先看）

這些函數(shù)原型看起來很容易混,但只要掌握了規(guī)律就很好記。

• l(list) : 表示參數(shù)采用列表

• v(vector) : 參數(shù)用數(shù)組

• p(path) : 有p自動搜索環(huán)境變量PATH

• e(env) : 表示自己維護環(huán)境變量

做一個自己的shell

????????用下圖的時間軸來表示事件的發(fā)生次序。其中時間從左向右。shell由標(biāo)識為sh的方塊代表，它隨著時間的流逝從左向右移動。shell從用戶讀入字符串"ls"。shell建立一個新的進程，然后在那個進程中運行l(wèi)s程序并等待那個進程結(jié)束。

????????然后shell讀取新的一行輸入，建立一個新的進程，在這個進程中運行程序 并等待這個進程結(jié)束。所以要寫一個shell，需要循環(huán)以下過程:

1. 獲取命令行

2. 解析命令行

3. 建立一個子進程（fork）

4. 替換子進程（execvp）

5. 父進程等待子進程退出（wait）

根據(jù)這些思路，和我們前面的學(xué)的技術(shù)，就可以自己來實現(xiàn)一個shell了。

實現(xiàn)如下：

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

#define SIZE 1024
char CommandLine[SIZE];  //存放輸入的指令

#define OPT_NUM 64
char* Myargv[OPT_NUM];  //存放分割后的程序指令

//保存上次運行時的退出碼和退出信號
int lastCode;
int lastSignal;

int main( )
{
  while(true)
  {
    //1.打印提示符
    printf("[用戶名@主機名 當(dāng)前路徑]#");
    fflush(stdout);        //刷新緩沖區(qū)

    //獲取用戶輸入
    char* s = fgets(CommandLine,sizeof(CommandLine)-1,stdin);
    assert(s != NULL);  //檢查釋放獲取成功
    (void)s;      
    CommandLine[strlen(CommandLine)-1] = 0;  //消除掉輸入時帶的換行符
    //字符串分割，拿出指令

    Myargv[0] = strtok(CommandLine," ");
    int i = 1;
    //給ls命令增加配色方案
    if(Myargv[0]!=NULL && strcmp(Myargv[0],"ls")==0)
    {
      Myargv[i++] = (char*)"--color=auto";
    }
    while( Myargv[i++] = strtok(NULL," "));  //無法分割時返回空指針。 命令行參數(shù)最后剛好需要以NULL結(jié)尾

    //內(nèi)建命令，內(nèi)置命令不需要創(chuàng)建子進程來執(zhí)行
    //cd 命令需要改變當(dāng)前進程的工作目錄
    if(Myargv[0]!=NULL && strcmp(Myargv[0],"cd")==0)
    {
        if(Myargv[1]!=NULL)
        chdir(Myargv[1]);
        continue;
    }

    //echo命令獲取上次程序的退出碼
    if(Myargv[0]!=NULL && Myargv[1]!=NULL && strcmp(Myargv[0],"echo")==0)
    {
        if(strcmp(Myargv[1],"$?")==0)
        {
          printf("lastcode:%d , lastSignal:%d\n",lastCode,lastSignal);
        }
        else
        {
          printf("%s\n",Myargv[1]);
        }
        continue;
    }

//條件編譯來測試  編譯時帶上 -DDEBUG即可運行測試
#ifdef DEBUG
for(int i=0; Myargv[i] ;++i)
printf("%s\n",Myargv[i]);
#endif

 //創(chuàng)建子進程執(zhí)行相關(guān)指令
pid_t id = fork();
assert(id != -1); //檢測子進程是否創(chuàng)建失敗

if(id == 0) //子進程進程切換 執(zhí)行對應(yīng)的指令
{
  execvp(Myargv[0],Myargv);

  exit(1); //異常時才從這退出
}
int status;  //拿到子程序的退出碼
waitpid(id,&status,0);

lastCode = ((status>>8) & 0xFF);
lastSignal = (status & 0x7F);
    
 }
  return 0;
}

演示：

注意點：

• 內(nèi)建/內(nèi)置命令不需要創(chuàng)建子進程來執(zhí)行，如cd命令等。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-426166.html

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