三、进程等待进程等待的必要性子进程退出,父进程如果不读取子进程的退出信息,子进程就会变成僵尸进程,进而造成内存泄漏。进程一旦变成僵尸进程,那么就算是kill -9命令也无法将其杀死,因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。对于一个进程来说,最关心自己的就是其父进程,因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。父进程需要通过进程等待的方式,回收子进程资源,获取子进程的退出信息。获取子进程status下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid,都有一个status参数,该参数是一个输出型参数,由操作系统进行填充。
如果对status参数传入null,表示不关心子进程的退出状态信息。否则,操作系统会通过该参数,将子进程的退出信息反馈给父进程。
status是一个整型变量,但status不能简单的当作整型来看待,status的不同比特位所代表的信息不同,具体细节如下(只研究status低16比特位):
在status的低16比特位当中,高8位表示进程的退出状态,即退出码。进程若是被信号所杀,则低7位表示终止信号,而第8位比特位是core dump标志。
我们通过一系列位操作,就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。
exitcode = (status >> 8) & 0xff; //退出码exitsignal = status & 0x7f; //退出信号对于此,系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。
wifexited(status):用于查看进程是否是正常退出,本质是检查是否收到信号。wexitstatus(status):用于获取进程的退出码。exitnormal = wifexited(status); //是否正常退出exitcode = wexitstatus(status); //获取退出码需要注意的是,当一个进程非正常退出时,说明该进程是被信号所杀,那么该进程的退出码也就没有意义了。
进程等待的方法wait方法函数原型:pid_t wait(int* status);
作用:等待任意子进程。
返回值:等待成功返回被等待进程的pid,等待失败返回-1。
参数:输出型参数,获取子进程的退出状态,不关心可设置为null。
例如,创建子进程后,父进程可使用wait函数一直等待子进程,直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
#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;}我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控:
[cl@vm-0-15-centos procwait]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo ######################;sleep 1;done这时我们可以看到,当子进程退出后,父进程读取了子进程的退出信息,子进程也就不会变成僵尸进程了。
waitpid方法函数原型:pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
作用:等待指定子进程或任意子进程。
返回值:
1、等待成功返回被等待进程的pid。
2、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。
3、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。
参数:
1、pid:待等待子进程的pid,若设置为-1,则等待任意子进程。
2、status:输出型参数,获取子进程的退出状态,不关心可设置为null。
3、options:当设置为wnohang时,若等待的子进程没有结束,则waitpid函数直接返回0,不予以等待。若正常结束,则返回该子进程的pid。
例如,创建子进程后,父进程可使用waitpid函数一直等待子进程(此时将waitpid的第三个参数设置为0),直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
#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;}在父进程运行过程中,我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死,这时父进程也能等待子进程成功。
注意: 被信号杀死而退出的进程,其退出码将没有意义。
多进程创建以及等待的代码模型上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子,实际上我们还可以同时创建多个子进程,然后让父进程依次等待子进程退出,这叫做多进程创建以及等待的代码模型。
例如,以下代码中同时创建了10个子进程,同时将子进程的pid放入到ids数组当中,并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标,之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。
#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); //将子进程的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标 } //father ids[i] = id; } for (int i = 0; i = 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;}运行代码,这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程,当子进程退出后,父进程再依次读取这些子进程的退出信息。
基于非阻塞接口的轮询检测方案上述所给例子中,当子进程未退出时,父进程都在一直等待子进程退出,在等待期间,父进程不能做任何事情,这种等待叫做阻塞等待。
实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出,而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情,当子进程退出时再读取子进程的退出信息,即非阻塞等待。
做法很简单,向waitpid函数的第三个参数potions传入wnohang,这样一来,等待的子进程若是没有结束,那么waitpid函数将直接返回0,不予以等待。而等待的子进程若是正常结束,则返回该子进程的pid。
例如,父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数,若是等待的子进程尚未退出,则父进程可以先去做一些其他事,过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。
#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;}运行结果就是,父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出,若未退出,则父进程先去忙自己的事情,过一段时间再来查看,直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
四、进程程序替换替换原理用fork创建子进程后,子进程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),若想让子进程执行另一个程序,往往需要调用一种exec函数。
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,并从新程序的启动例程开始执行。
当进行进程程序替换时,有没有创建新的进程?
进程程序替换之后,该进程对应的pcb、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变,只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变,所以并没有创建新的进程,而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。
子进程进行进程程序替换后,会影响父进程的代码和数据吗?
子进程刚被创建时,与父进程共享代码和数据,但当子进程需要进行进程程序替换时,也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作,这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝,此后父子进程的代码和数据也就分离了,因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。
替换函数替换函数有六种以exec开头的函数,它们统称为exec函数:
一、int execl(const char *path, const char *arg, ...);
第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以null结尾。
例如,要执行的是ls程序。
execl(/usr/bin/ls, ls, -a, -i, -l, null);二、int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
第一个参数是要执行程序的名字,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以null结尾。
例如,要执行的是ls程序。
execlp(ls, ls, -a, -i, -l, null);三、int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以null结尾,第三个参数是你自己设置的环境变量。
例如,你设置了myval环境变量,在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。
char* myenvp[] = { myval=2021, null };execle(./mycmd, mycmd, null, myenvp);四、int execv(const char *path, char *const argv[]);
第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以null结尾。
例如,要执行的是ls程序。
char* myargv[] = { ls, -a, -i, -l, null };execv(/usr/bin/ls, myargv);五、int execvp(const char *file, char *const argv[]);
第一个参数是要执行程序的名字,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以null结尾。
例如,要执行的是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[]);
第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以null结尾,第三个参数是你自己设置的环境变量。
例如,你设置了myval环境变量,在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。
char* myargv[] = { mycmd, null };char* myenvp[] = { myval=2021, null };execve(./mycmd, myargv, myenvp);函数解释这些函数如果调用成功,则加载指定的程序并从启动代码开始执行,不再返回。如果调用出错,则返回-1。也就是说,exec系列函数只要返回了,就意味着调用失败。
命名理解这六个exec系列函数的函数名都以exec开头,其后缀的含义如下:
l(list):表示参数采用列表的形式,一一列出。v(vector):表示参数采用数组的形式。p(path):表示能自动搜索环境变量path,进行程序查找。e(env):表示可以传入自己设置的环境变量。
事实上,只有execve才是真正的系统调用,其它五个函数最终都是调用的execve,所以execve在man手册的第2节,而其它五个函数在man手册的第3节,也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装,以满足不同用户的不同调用场景的。
下图为exec系列函数族之间的关系:
做一个简易的shellshell也就是命令行解释器,其运行原理就是:当有命令需要执行时,shell创建子进程,让子进程执行命令,而shell只需等待子进程退出即可。
其实shell需要执行的逻辑非常简单,其只需循环执行以下步骤:
获取命令行。解析命令行。创建子进程。替换子进程。等待子进程退出。其中,创建子进程使用fork函数,替换子进程使用exec系列函数,等待子进程使用wait或者waitpid函数。
于是我们可以很容易实现一个简易的shell,代码如下:
#include #include #include #include #include #include #include #define len 1024 //命令最大长度#define num 32 //命令拆分后的最大个数int main(){ char cmd[len]; //存储命令 char* myargv[num]; //存储命令拆分后的结果 char hostname[32]; //主机名 char pwd[128]; //当前目录 while (1){ //获取命令提示信息 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); //读取命令 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(); //创建子进程执行命令 if (id == 0){ //child execvp(myargv[0], myargv); //child进行程序替换 exit(1); //替换失败的退出码设置为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的退出码 } } return 0;}效果展示:
说明:
当执行./myshell命令后,便是我们自己实现的shell在进行命令行解释,我们自己实现的shell在子进程退出后都打印了子进程的退出码,我们可以根据这一点来区分我们当前使用的是linux操作系统的shell还是我们自己实现的shell。
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