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进程等待与进程替换

article 2025/2/24 22:29:49

目录

一、进程等待

1.1 为什么要等待子进程？

1.2 等待的两种方式

1.2.1 wait函数

1.2.2 waitpid函数

1.3 获取子进程的退出状态

1.4  示例代码

阻塞式等待（同步）

非阻塞等待（异步）

二、进程替换

2.1 什么是进程替换？

2.2 exec 系列函数

2.3 函数解释

2.4 示例代码

2.5 重要特性

一、进程等待

1.1 为什么要等待子进程？

        在 Linux 中，父进程创建子进程后，子进程会独立运行。如果子进程退出后，父进程不采取任何措施，子进程会变成僵尸进程。僵尸进程虽然占用的资源很少，但会浪费系统资源（如进程表项），并且无法被杀死（因为已经“死”了）。为了避免这种情况，父进程需要通过进程等待的方式回收子进程的资源，并获取子进程的退出信息。

        此外，父进程通常需要知道子进程的任务完成情况，例如子进程是否正常退出、退出状态码是多少等。这些信息可以通过进程等待来获取。

        想象你请了一位临时工（子进程）来完成工作，完成后你需要验收工作成果并结算工资。如果放任不管，这个临时工就会变成"僵尸"赖在系统中，这就是僵尸进程。僵尸进程会导致：

  • 内存泄漏：占用系统进程表资源

  • 信息丢失：无法获取子进程执行结果

  • 无法清除：连kill -9都无法终止僵尸进程

1.2 等待的两种方式

Linux 提供了两种主要方法来实现进程等待：wait 和 waitpid。

1.2.1 wait函数

wait 是一种简单的进程等待方法，父进程调用它后会阻塞，直到子进程退出。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);

  • 返回值：成功时返回子进程的 PID，失败时返回 -1。

  • 参数：用于获取子进程的退出状态。如果不关心子进程的退出状态，可以传入 NULL。

1.2.2 waitpid函数

waitpid 是更灵活的进程等待方法，它可以指定等待的子进程，并支持非阻塞等待。

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

返回值：

  • 如果有符合条件的子进程退出，返回子进程的 PID。
  • 如果设置了 WNOHANG 选项且没有子进程退出，返回 0。
  • 如果出错，返回 -1。

参数：

pid：

  • Pid=-1,等待任意一个子进程。与wait等效。
  • Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。

status:

  • 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:

  • 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。
  • 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。

1.3 获取子进程的退出状态

  1. 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。
  2. 如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
  3. 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。
  4. 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）：

关键宏定义：

WIFEXITED(status)  // 是否正常退出
WEXITSTATUS(status) // 获取退出码
WIFSIGNALED(status) // 是否被信号终止
WTERMSIG(status)    // 获取终止信号

1.4  示例代码

阻塞式等待（同步）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main() 
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) 
    {
        perror("fork error");
        return 1;
    } 
    else if (pid == 0) 
    {
        // 子进程
        printf("Child is running, PID: %d\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(257);
    } 
    else 
    {
        // 父进程
        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0); // 阻塞等待
        if (WIFEXITED(status)) 
        {
            printf("Child exited with code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

非阻塞等待（异步）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main() 
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) 
    {
        perror("fork error");
        return 1;
    } 
    else if (pid == 0) 
    {
        // 子进程
        printf("Child is running, PID: %d\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(1);
    } 
    else 
    {
        // 父进程
        int status = 0;
        pid_t ret = 0;
        do 
        {
            ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞等待
            if (ret == 0) 
            {
                printf("Child is still running...\n");
                sleep(1);
            }
        } while (ret == 0);

        if (WIFEXITED(status)) 
        {
            printf("Child exited with code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

二、进程替换

2.1 什么是进程替换？

        进程替换是指子进程通过调用 exec 系列函数，将自己的用户空间代码和数据完全替换为另一个程序的内容，并从新程序的启动例程开始执行。调用 exec 并不会创建新进程，因此进程 ID 不会改变。

  • 不创建新进程：保持原PID不变

  • 完全替换：代码段、数据段、堆栈都被替换

  • 执行流程：从新程序的main函数开始执行

2.2 exec 系列函数

Linux 提供了六种 exec 函数，它们的功能类似，但参数形式不同：

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[]);
函数名参数格式搜索PATH环境变量
execl列表否继承
execlp列表是继承
execle列表否自定义
execv数组否继承
execvp数组是继承
execve数组否自定义

记忆口诀：

  • l(list)：参数逐个列出（execl, execlp, execle）

  • v(vector)：使用参数数组（execv, execvp, execve）

  • p(path)：自动搜索PATH环境变量

  • e(env)：自定义环境变量

2.3 函数解释

  1. 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。
  2. 如果调用出错则返回-1。
  3. 所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

2.4 示例代码

#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：

2.5 重要特性

  • 成功无返回：替换成功后不再执行原程序代码

  • 失败返回-1：可通过errno查看错误原因

  • 文件描述符：默认保持打开（除非设置FD_CLOEXEC）


http://www.kler.cn/a/548977.html

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