【linux】进程等待与进程替换
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目录
- 01.进程等待
- 系统调用
- 获取子进程status
- 常用宏
- 使用示例
- 02.进程替换
- 替换函数
- 关键点解释：
- 代码详细分析
- `execvpe` 函数的使用
01.进程等待
任何子进程，在退出的情况下，一般必须要被父进程进行等待。进程在退出的时候，如果父进程不管不顾，退出进程，状态Z(僵尸状态)，内存泄漏
- 进程一旦变成僵尸状态，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
- 父进程通过等待，解决子进程退出的僵尸问题，回收系统资源（一定要考虑的)
- 获取子进程的退出信息，知道子进程是因为什么原因退出的（可选的功能)
系统调用
-
wait()wait()函数使调用的进程（通常是父进程）暂停执行，直到一个子进程终止或发生一个信号。这个调用通常用于简单的父子进程同步。- 函数原型：
pid_t wait(int *status); - 如果有子进程退出，
wait()返回子进程的 PID，并可通过status指针获取子进程的退出状态。
-
waitpid()waitpid()函数提供更多的控制，允许父进程等待特定的子进程，或者是与父进程有特定关系的任何子进程。- 函数原型：
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); - 参数：
pid：指定要等待的子进程的 PID；若为-1，则等待任何子进程，与wait等效。status：和wait()一样，用于存放子进程的终止状态。options：可以控制waitpid()的行为，如WNOHANG（非阻塞），不会等待子进程终止，立即返回。
- 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；
- 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
所以说父进程通过等待，解决子进程退出的僵尸问题，回收系统资源
如果子进程没有退出，父进程其实一直在进行阻塞等待!
获取子进程status
在 waitpid 函数中，status 是一个指向整数的指针，用于存储子进程的终止状态信息。这个状态不仅仅是一个简单的退出代码，而是一组位的组合，这些位可以表示子进程的多种状态。
下面是如何解释 status 值的相关宏和方法：
常用宏
-
WIFEXITED(status):- 判断子进程是否正常退出（调用
exit或者返回 main 函数）。 - 返回非零值表示子进程正常退出，可以通过
WEXITSTATUS(status)获取退出状态。
- 判断子进程是否正常退出（调用
-
WEXITSTATUS(status):- 在
WIFEXITED(status)为真时使用。 - 获得子进程的退出码（也就是子进程传递给
exit()的参数或main()函数的返回值），这是一个8位的整数。
- 在
-
WIFSIGNALED(status):- 判断子进程是否因为未捕获信号而终止。
- 返回非零值表示子进程被信号终止，可以通过
WTERMSIG(status)获取导致终止的信号编号。
-
WTERMSIG(status):- 在
WIFSIGNALED(status)为真时使用。 - 获得导致子进程终止的信号编号。
- 在
-
WIFSTOPPED(status):- 判断子进程是否因信号停止。
- 返回非零值表示子进程被信号停止，可以通过
WSTOPSIG(status)获取导致停止的信号编号。
-
WSTOPSIG(status):- 在
WIFSTOPPED(status)为真时使用。 - 获得导致子进程停止的信号编号。
- 在
-
WIFCONTINUED(status):- 判断子进程是否由
SIGCONT信号继续。 - 返回非零值表示子进程接收到
SIGCONT信号后继续执行，这个宏主要在系统支持WCONTINUED选项时使用。
- 判断子进程是否由
使用示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == -1) {
perror("fork failed");
exit(EXIT_FAILURE);
} else if (pid == 0) {
// 子进程
printf("Child process (PID: %d) executing...\n", getpid());
exit(42); // 子进程结束并返回状态码42
} else {
// 父进程
int status;
pid_t waited = waitpid(pid, &status, 0);
if (waited == -1) {
perror("waitpid failed");
} else {
if (WIFEXITED(status)) {
printf("Child process (PID: %d) exited with status %d\n", waited, WEXITSTATUS(status));
} else if (WIFSIGNALED(status)) {
printf("Child process (PID: %d) terminated by signal %d\n", waited, WTERMSIG(status));
} else if (WIFSTOPPED(status)) {
printf("Child process (PID: %d) stopped by signal %d\n", waited, WSTOPSIG(status));
} else if (WIFCONTINUED(status)) {
printf("Child process (PID: %d) continued\n", waited);
}
}
}
return 0;
}
在上面的代码中，status 变量通过 waitpid 获得子进程的状态。根据不同的状态宏，可以判断子进程是如何退出的，并做相应的处理。这种机制使得父进程能够详细了解子进程的退出原因，而不仅仅是它的退出码。
status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待
虽然在不同的 Unix 系统中这个结构可能略有差异，但通常 status 会被设计成如下所示的位字段结构：
- 位 0-7: 子进程的退出代码（如果子进程是正常退出的）。
- 位 8-15: 在一些实现中，这些位可以包含信号编号，表示子进程因信号而终止。
- 特定的位字段：表明子进程是否被信号中止、是否正常退出、是否由信号停止（这些信息是由
WIFEXITED、WIFSIGNALED和WIFSTOPPED等宏检查）。
02.进程替换
用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变
替换函数
其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:
#include <unistd.h>`
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
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[]);
- 这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。
- 如果调用出错则返回-1
- 所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。
命名理解：
- l(list) : 表示参数采用列表
- v(vector) : 参数用数组
- p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
- e(env) : 表示自己维护环境变量
让进程用exec函数，执行起来新的程序
main 函数演示了如何使用 execl 函数进行进程替换。这段代码旨在在 Unix-like 系统上运行，其中 execl 是用来替换当前进程并执行新的程序。这里，新程序是系统的 ls 命令，用来列出当前目录中的所有文件和目录（包括隐藏文件），并以长格式显示。
以下是每一行代码的具体解释：
int main()
{
printf("testexec...begin\n"); // 打印开始消息
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL); // 替换当前进程，执行 ls 命令
printf("testexec...end\n"); // 打印结束消息，理论上不应执行到这里
return 0; // 程序正常结束返回
}
关键点解释：
-
printf("testexec...begin\n");- 这行代码输出 “testexec…begin” 到标准输出，标示程序开始执行。
-
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);execl是exec系列函数之一，用于替换当前进程的映像为一个新的可执行文件。- 第一个参数
"/usr/bin/ls"指定了要执行的程序的绝对路径。 - 接下来的参数 “ls”, “-l”, “-a” 是传递给
ls程序的参数，分别代表程序名、长格式列表和显示所有文件（包括以点开头的隐藏文件）。 - 最后一个参数
NULL表示参数列表的结束。 - 成功调用
execl后**，原进程的代码和数据将被ls程序替换，原main函数之后的代码不会被执行**。
-
printf("testexec...end\n");- 理论上，这行代码永远不会执行，因为一旦
execl成功，当前进程的地址空间已经被新程序（这里是ls）所替换。 - 如果出现这行代码被执行的情况，那意味着
execl调用失败了。失败的原因可能包括指定的程序不存在，或者进程没有执行该程序的权限等。
- 理论上，这行代码永远不会执行，因为一旦
execl函数的返回值可以不关心了。只要替换成功，就不会向后继续运行只要继续运行了，一定是替换失败了!
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
printf("testexec...begin\n");
pid_t id=fork();
if(id==0)
{
execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);
exit(1);
}
int status=0;
pid_t rid=waitpid(id,&status,0);
if(rid>0)
{
printf("father wait success,child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
}
printf("testexec...end\n");
return 0;
}
main 函数展示了如何结合 fork() 和 execl() 进行进程创建和替换，还演示了如何使用 waitpid() 来等待子进程结束并获取子进程的退出状态。这是 Unix-like 系统编程的一个典型示例，通常用于需要同时运行多个程序或监控其他程序执行的情况。
代码详细分析
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
printf("testexec...begin\n"); // 输出程序开始执行的标志
pid_t id = fork(); // 创建一个新进程
if (id == 0) // 子进程执行分支
{
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL); // 子进程中执行 ls 命令
exit(1); // 如果 execl 执行失败，退出子进程，返回状态 1
}
// 父进程执行分支
int status = 0;
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0); // 父进程等待子进程结束
if (rid > 0) // waitpid 成功
{
if (WIFEXITED(status)) { // 判断子进程是否正常退出
printf("father wait success, child exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status)); // 输出子进程的退出状态
}
}
printf("testexec...end\n"); // 输出程序结束的标志
return 0;
}
-
进程创建 (
fork())：fork()创建一个新的子进程，子进程是父进程的一个副本。fork()在父进程中返回子进程的 PID，在子进程中返回 0。- 由于操作系统的调度策略，父进程和子进程之后的执行顺序是不确定的。
-
进程替换 (
execl())：- 在子进程中，
execl()用于加载并执行指定的程序（这里是/usr/bin/ls）。 - 如果
execl()成功，它不会返回；如果失败，会返回 -1，并且子进程继续执行后续代码。
- 在子进程中，
-
退出处理 (
exit())：- 在子进程中，如果
execl()调用失败，紧接着调用exit(1)来结束子进程，并返回状态码 1。
- 在子进程中，如果
-
进程同步 (
waitpid())：- 父进程使用
waitpid()等待子进程结束，并通过status变量获取子进程的退出状态。 WIFEXITED(status)检查子进程是否正常结束，WEXITSTATUS(status)获取子进程的返回码。
- 父进程使用
错误处理和输出
- 子进程在
execl()调用失败时通过exit(1)明确指示错误退出。 - 父进程检查
waitpid()返回值以确认等待是否成功，并从状态码中提取具体的退出信息，正确处理并报告子进程的退出状态。
这个程序结构清晰，展示了进程的创建、执行替换、等待及状态检查的完整流程，是学习 Unix/Linux 系统编程的一个很好的实例。
一旦子进程进行了替换，也要进行写时拷贝
#include <unistd.h>
int main()
{
char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
// 带e的，需要自己组装环境变量
execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
execv("/bin/ps", argv);
// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
execvp("ps", argv);
// 带e的，需要自己组装环境变量
execve("/bin/ps", argv, envp);
exit(0);
}
事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示
我们现在用c语言的文件来替代c++的程序：
修改makefile让其一次性生成两个可执行文件
检测pid：
同理，其他类型的程序我们也可以替换
pid_t id=fork();
if(id==0)
{
char *const argv[]={"mypragma",NULL};
printf("child pid:%d\n",getpid());
sleep(2);
execvpe("./mypragma",argv,NULL);
// execl("./mypragma","mypragma",NULL);
// char const* argv[]={(char*)"ls",(char *)"-l",(char*)"-a",NULL};
// execv("/usr/bin/ls",argv);
exit(1);
}
execvpe 函数的使用
execvpe 的原型如下：
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
- file: 要执行的程序的名称或路径。
- argv: 指向以 NULL 结尾的字符串数组的指针，这些字符串为要传递给新程序的命令行参数。
- envp: 指向以 NULL 结尾的字符串数组的指针，这些字符串构成了新程序的环境。
代码中，使用 execvpe 来执行 ./mypragma 程序，并将 argv 设置为 {"mypragma", NULL}。这意味着 mypragma 作为参数0（通常是程序名称）传递给 mypragma 程序。
打印结果：
[dyx@VM-8-13-centos process_test]$ ./myprocess
testexec...begin
child pid:21680
argv[0]:mypragma
-------------------------
env[0]:HAHA=111111
env[1]:HEHE=222222
-------------------------
hello c++,I am a c++ pragma:21680
hello c++,I am a c++ pragma:21680
hello c++,I am a c++ pragma:21680
hello c++,I am a c++ pragma:21680
father wait success,child exit code:0
testexec...end
