Linux进程控制【创建、终止、等待】

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🌇前言

进程 创建后，需要对其进行合理管理，光靠 OS 是无法满足我们的需求的，此时可以运用 进程 控制相关知识，对 进程 进行手动管理，如创建 进程、终止 进制、等待 进程 等，其中等待 进程 可以有效解决僵尸 进程 问题

汽车中控台

汽车的中控台，可以对汽车进行各种操作

🏙️正文

本文涉及的代码都是以 C语言 实现的

1、进程创建

在学习 进程控制 相关知识前，先要对回顾如何创建 进程，涉及一个重要的函数 fork

1.1、fork函数

#include <unistd.h>	//所需头文件 pid_t fork(void);	//fork 函数

fork 函数的作用是在当前 进程 下，创建一个 子进程，子进程 创建后，会为其分配新的内存块和内核数据结构(PCB)，将 父进程 中的数据结构内容拷贝给 子进程，同时还会继承 父进程 中的环境变量表

  • 进程具有独立性，即使是父子进程，也是两个完全不同的进程，拥有各自的 PCB
  • 假设 子进程 发生改写行为，会触发写时拷贝机制

fork 函数返回类型为 pid_t，相当于 typedef int，不过是专门用于进程的，同时它拥有两个返回值：

  • 如果进程创建失败，返回 -1
  • 进程创建成功后
    • 给子进程返回 0
    • 给父进程返回子进程的 PID 值

进程创建图解
通过代码理解 进程 创建

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> //进程等待相关函数头文件  int main() {   //创建两个子进程   pid_t id1 = fork();   if(id1 == 0)   {     //子进程创建成功，创建孙子进程     pid_t id2 = fork();     if(id2 == 0)     {       printf("我是孙子进程，PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());       exit(1); //孙子进程运行结束后，退出     }        wait(0);  //等待孙子进程运行结束       printf("我是子进程，PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());       exit(1);  //子进程运行结束后，退出   }    wait(0);  //等待子进程运行结束   printf("我是父进程，PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());    return 0; //父进程运行结束后，退出 }

结果
观察结果不难发现，两个子进程已经成功创建，但最晚创建的进程，总是最先运行，这是因为 fork 创建进程后，先执行哪个进程取决于调度器

得到子进程后，此时可以在一个程序中同时执行两个进程！(父进程非阻塞的情况下)

注意：fork 可能创建进程失败

  • 系统中的进程过多时
  • 实际用户的进程数超过了限制

1.2、写时拷贝

在【进程地址空间】一文中，谈到了写时拷贝机制，实现原理就是通过 页表+MMU 机制，对不同的进程进行空间寻址，达到出现改写行为时，父子进程使用不同真实空间的效果

验证写时拷贝现象很简单，创建子进程后，使其对生命周期长的变量作出修改，再观察父子进程的结果即可

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> //进程等待相关函数头文件  const char* ps = "This is an Apple";  //全局属性  int main() {   pid_t id = fork();   if(id == 0)   {     ps = "This is a Banana"; //改写     printf("我是子进程，我认为：%s\n", ps);     exit(0);  //子进程退出   }    wait(0);  //等待子进程退出   printf("我是父进程，我认为：%s\n", ps);   return 0; }

结果
不难发现，子进程对指针 ps 指向内容做出改变时，父进程并不受影响，这就是写时拷贝机制

  • 通过地址打印，发现父子进程中的 ps 地址一致，因为此时是虚拟地址
  • 在虚拟地址相同的情况下，真实地址是不同的，得益于 页表+MMU 机制寻址不同的空间

写时拷贝机制本质上是一种按需申请资源的策略

图解
注意：

  • 写时拷贝不止可以发生在常规栈区、堆区，还能发生在只读的数据段和数据段
  • 写时拷贝后，生成的是副本，不会对原数据造成影响

2、进程终止

假设某个进程陷入了死循环状态，可以通过特定方法终止此程序，如在命令行中莫名其妙输入了一个指令，导致出现非正常情况，可以通过 ctrl + c 终止当前进程；对于自己写的程序，有多种终止方法，程序退出时，还会有一个退出码，供 父进程 接收

终止进程

2.1、退出码

echo $?

main 函数中的最后一条语句 return 0 表示当前程序的退出码，0 表示程序正常退出，可以通过指令 echo $? 查看最近一次子进程运行的 退出码

退出码是给父进程看的，可以判断子进程是否成功运行

子进程运行情况：

  • 运行失败或异常终止，此时出现终止信号，无退出码
  • 运行成功，返回退出码，可能出现结果错误的情况

退出码
进程退出后，OS 会释放对应的 内核数据结构+代码和数据

main 函数退出，表示整个程序退出，而程序中的函数退出，仅表示该函数运行结束

2.2、退出方式

对一个正在运行中的进程，存在两种终止方式：外部终止和内部终止，外部终止时，通过 kill -9 PID 指令，强行终止正在运行中的程序，或者通过 ctrl + c 终止前台运行中的程序

外部终止
内部终止是通过函数 exit() 或 _exit() 实现的
之前在程序编写时，发生错误行为时，可以通过 exit(-1) 的方式结束程序运行，代码中任意地方调用此函数，都可以提前终止程序

void exit(int status);  void _exit(int status);

这两个退出函数，从本质上来说，没有区别，都是退出进程，但在实际使用时，还是存在一些区别，推荐使用 exit()

比如在下面这段程序中，分别使用 exit() 和 _exit() 观察运行结果

int main() {   printf("You can see me");   //exit(-1); //退出程序   //_exit(-1);  //第二个函数   return 0; }

使用 exit() 时，输出语句

结果1
使用 _exit() 时，并没有任何语句输出
结果2
原因：

  • exit() 是对 _exit() 做的封装实现
  • _exit() 就只是单纯的退出程序
  • 而 exit() 在退出之前还会做一些事，比如冲刷缓冲区，再调用 _exit()
  • 程序中输出语句位于输出缓冲区，不冲刷的话，是不会输出内容的

图解

3、进程等待

僵尸进程 是一个比较麻烦的问题，如果不对其做出处理，僵尸进程 就会越来越多，导致 内存泄漏 和 标识符 占用问题

僵尸进程

3.1、等待原因

子进程运行结束后，父进程没有等待并接收其退出码和退出状态，OS 无法释放对应的 内核数据结构+代码和数据，出现 僵尸进程

为了避免这种情况的出现，父进程可以通过函数等待子进程运行结束，此时父进程属于阻塞状态

注意：

  • 进程的退出状态是必要的
  • 进程的执行结果是非必要的

也就是说，父进程必须对子进程负责，确保子进程不会连累 OS，而子进程执行的结果是否正确，需要我们自行判断

3.2、等待函数

系统提供的父进程等待函数有两个 wait() 和 waitpid()，后者比较常用

#include <sys/types.h> #include <sys/wait.h>  pid_t wait(int* status);  pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

wait() 函数前面已经演示过了，这里着重介绍 waitpid() 返回值及其参数
wait() 中的返回值和参数，包含在 waitpid() 中

返回值：

  • 等待成功时，返回 >0 的值
  • 等待失败时，返回 -1
  • 等待中，返回 0

参数列表：

  • pid 表示所等子进程的 PID
  • status 表示状态，为整型，其中高 16 位不管，低 16 位中，次低 8 位表示退出码，第 7 位表示 core dump，低 7 位表示终止信号
  • options 为选项，比如可以选择父进程是否需要阻塞等待子进程退出

需要特别注意 status
status

通过代码演示 waitpid() 的使用

int main() {   //演示 waitpid()   pid_t id = fork();  //创建子进程   if(id == 0)   {     int time = 5;     int n = 0;     while(n < time)     {       printf("我是子进程，我已经运行了:%d秒 PID:%d   PPID:%d\n", n + 1, getpid(), getppid());       sleep(1);       n++;     }      exit(244);  //子进程退出   }    int status = 0; //状态   pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); //参数3 为0，为默认选项    if(ret == -1)   {     printf("进程等待失败！进程不存在！\n");   }   else if(ret == 0)   {     printf("子进程还在运行中！\n");   }   else   {     printf("进程等待成功，子进程已被回收\n");   }    printf("我是父进程, PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());    //通过 status 判断子进程运行情况   if((status & 0x7F))   {     printf("子进程异常退出，core dump：%d   退出信号：%d\n", (status >> 7) & 1, (status & 0x7F));   }   else   {     printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", (status >> 8) & 0xFF);   }    return 0; }

不发出终止信号，让程序自然跑完

结果
发出终止信号，强行终止进程

结果2
waitpid() 的返回值可以帮助我们判断此时进程属于什么状态(在下一份测试代码中表现更明显)，而 status 的不同部分，可以帮助我们判断子进程因何而终止，并获取 退出码(终止信号)

在进程的 PCB 中，包含了 int _exit_code 和 int _exit_signal 这两个信息，可以通过对 status 的位操作间接获取其中的值

注意：

  • status 的位操作需要多画图理解
  • 正常退出时，终止信号为0；异常终止时，退出码没有，两者是互斥的
  • code dump 现阶段用不到，但它是伴随着终止信号出现的

如果觉得 (status >> 8) & 0xFF 和 (status & 0x7F) 这两个位运算难记，系统还提供了两个宏来简化代码

  • WIFEXITED(status) 判断进程退出情况，当宏为真时，表示进程正常退出
  • WEXITSTATUS(status) 相当于 (status >> 8) & 0xFF，直接获取退出码

3.3、等待时执行

//options 参数 WNOHANG  //比如 waitpid(id, &status, WNOHANG);

父进程并非需要一直等待子进程运行结束(阻塞等待)，可以通过设置 options 参数，进程解除 夯 状态，父进程变成 等待轮询 状态，不断获取子进程状态(是否退出)，如果没退出，就可以干点其他事

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> //进程等待相关函数头文件  int main() {   //演示 waitpid()   pid_t id = fork();  //创建子进程   if(id == 0)   {     int time = 9;     int n = 0;     while(n < time)     {       printf("我是子进程，我已经运行了:%d秒 PID:%d   PPID:%d\n", n + 1, getpid(), getppid());       sleep(1);       n++;     }      exit(244);  //子进程退出   }    int status = 0; //状态   pid_t ret = 0;   while(1)   {      ret = waitpid(id, &status, WNOHANG); //参数3 设置为非阻塞状态          if(ret == -1)     {       printf("进程等待失败！进程不存在！\n");       break;     }     else if(ret == 0)     {        printf("子进程还在运行中！\n");       printf("我可以干一些其他任务\n");       sleep(3);     }     else     {       printf("进程等待成功，子进程已被回收\n");       //通过 status 判断子进程运行情况       if(WIFEXITED(status))       {         printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));         break;       }       else       {         printf("子进程异常退出，code dump：%d   退出信号：%d\n", (status >> 7) & 1, (status & 0x7F));         break;       }     }   }    return 0; }

程序正常运行，父进程通过 等待轮询 的方式，在子进程执行的同时，执行其他任务

正常运行
当然也可以通过 kill -9 PID 命令使子进程异常终止

异常终止
可以看到程序能分别捕捉到正常和异常的情况

注意：如果不写进程等待函数，会引发僵尸进程问题

🌆总结

以上就是关于 Linux进程控制(创建、终止、等待) 的相关知识了，我们学习了 子进程 是如何被创建的，创建后又是如何终止的，以及 子进程 终止 父进程 需要做些什么，有了这些知识后，在对 进程 进行操作时能更加灵活和全面

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星辰大海

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