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[Linux][进程控制][进程程序替换]详细解读

🕗 发布于 2024-04-16 12:34 Linux  进程控制  进程程序替换  新手向  详细解读  

目录

1.进程创建

1.fork函数初识

  • 在Linux中fork函数是非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程

    • 新进程为子进程，而原进程为父进程

  • 进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

    • 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
      • 必须子进程自己独有，因为进程具有独立性
    • 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
      • 代码：都是不可被写的，只能读取，所以父子共享，没有问题
      • 数据：可能被修改的，所以必须分离
    • 添加子进程到系统进程列表当中
    • fork返回，开始调度器调度
      请添加图片描述

  • 当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程

int main(void)
{
    pid_t pid;
    printf("Before: pid is %d\n", getpid());

    if ((pid = fork()) == -1)
        perror("fork()"), exit(1);

    printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
    sleep(1);
    
    return 0;
}

运行结果  
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677
After:pid is 43677, fork return 0
  • 进程43676先打印before消息，然后它有打印after。另一个after消息由43677打印的
    • 注意到进程43677没有打印before，为什么呢？

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  • 所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行
    • 注意：fork之后，谁先执行完全由调度器决定

2.fork函数返回值

  • 父进程返回的是子进程的PID
  • 子进程返回0

3.写时拷贝

  • 通常，父子代码共享，父子在不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自获得一份副本
  • 为什么要这样设计呢？为什么不可以在创建进程的时候，就直接拷贝分离父子进程呢？
    • 可能拷贝子进程根本就不会用到数据空间，即便是用到了，也可能只是读取
    • 创建子进程，不需要将不会被访问的数据或者只会被读取的数据拷贝一份
    • 但是，还必须得拷贝数据，但什么样的数据值得拷贝呢？
      • 将来会被父/子进程写入的数据
    • 但是，提前拷贝了，会立马使用吗？
      • 一般而言，即便是OS，也无法提前知道哪些空间可能会被写入
    • 综上，OS选择了"写时拷贝"技术，来进程将父子进程的数据分离
      • 因为有写时拷贝的存在，所以，父子进程得以彻底分离，完成了进程独立性的技术保证
  • OS为何要选择写时拷贝技术，对父子进程进行分离？
    • 用的时候，再给你分配，是高效使用内存的一种表现
    • OS无法在代码执行前预知哪些空间会被访问

请添加图片描述

4.fork之后，父子进程代码共享

  • 共享的代码是after之后的代码，还是所有的代码都共享呢？
    • 共享的是所有的代码
    • 但是执行的是fork之后的代码

5.fork常规用法

  • 一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段
    • 例如：父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求
  • 一个进程要执行一个不同的程序
    • 例如：子进程从fork返回后，调用exec函数

6.fork调用失败的原因

  • 系统中有太多的进程
  • 实际用户的进程数超过了限制

2.进程终止

0.进程终止时，操作系统做了什么？

  • 释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码 --> 本质就是释放资源

1.进程退出场景

  • 代码运行完毕，结果正确
  • 代码运行完毕，结果不正确
  • 代码没有跑完，程序崩溃了
  • main函数的返回值的意义是什么？return 0的含义是什么？为什么总是0？
    • 返回给上一级进程，用来评判该进程执行结果用的，可以忽略
    • 此处的0为进程的**退出码，**并不总是0
      • 0：success 非0：标识的时运行的结果不正确
      • 非零值有无数个，不同的非零值就可以标识不同的错误原因
      • 给我们的程序在运行结束之后，结果不正确时，方便定位错误的原因细节
      • 程序崩溃的时候，退出码无意义 – 一般而言退出码对应的return语句没有被执行

2.进程常见退出方法

  • 可以通过echo $?查看进程退出码
  • 正常终止：
    • 从main函数，return 退出码
      • return语句就是终止进程的
      • return n等同于执行exit(n)
    • 调用exit
      • exit在代码的任何地方调用，都表示直接终止进程
    • _exit
  • 异常退出：
    • Ctrl + c，信号终止

4 _exit函数(系统接口)

void _exit(int status);
  • 参数：status定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
    • **说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?**发现返回值是255

4.exit函数(库函数)

void exit(int status);
  • exit最后也会调用**_exit**(库函数封装系统接口)**，**但在调用之前，还做了其他工作：
    1. 执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数
    2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
    3. 调用_exit
      请添加图片描述
int main()
{
    printf("hello");
    exit(0);
}

// 运行结果：hello

int main()
{
    printf("hello");
    _exit(0);
}

// 运行结果：(空)

3.进程等待

1.进程等待必要性

  • 子进程退出，父进程若不管不顾，就可能造成"僵尸进程"的问题，进而造成内存泄漏
  • 另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，"杀人不眨眼"的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
  • 最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道
  • 如：子进程运行完成，结果对还是不对， 或者是否正常退出
  • 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息

2.进程等待的方法

  • wait： pid_t wait(int *status);
    • 返回值：成功返回被等待进程pid，失败返回-1
    • 参数：输出型参数，获取子进程退出状态，不关心则可以设置成为NULL
  • waitpid： pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
    • 返回值：
      • 收集到的子进程的进程ID
        • 等待成功&&子进程退出
      • 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
        • 等待成功&&子进程未退出
      • 如果调用中出错,则返回**-1**
    • 参数：
      • pid：
        • Pid=-1，等待任一个子进程 --> 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：让父进程非阻塞等待
          • 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0
        • 默认为0，表示阻塞等待
  • 注意：
    • 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

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3.获取子进程status

  • 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

    • 如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息
    • 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

  • status****不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待（只研究status低16比特位）

    • 次低8位，表示子进程退出的退出码
    • 最低7位，表示进程收到的信号
    • 第8位，core dump标志
      请添加图片描述

  • 由此，可知：

    • 进程异常退出或者崩溃，本质是操作系统杀掉了进程
    • 操作系统如何杀掉进程的呢？
      • 本质是通过发送信号的方式
    • 程序异常，不光光是内部代码有问题，也可能是外力直接杀掉
      • 子进程跑完了吗？ --> 不能确定

4.思考问题

  • 父进程为什么要用wait/waitpid函数拿子进程的退出结果？直接全局变量不行吗？
    • 进程具有独立性，数据会进行写时拷贝，父进程无法拿到子进程修改过的数据
    • 并且，信号无法通过全局变量拿到
  • 既然进程是具有独立性的，进程退出码也是子进程的数据，父进程为什么能拿到？wait/waitpid究竟干了什么？
    • 僵尸进程：至少要保留该进程的PCB信息
      • task_struct里面保留了任何进程退出时的退出结果信息
    • 本质就是读取子进程的task_struct结构
    • wait/wait有权利拿task_struct里面的数据么？task_struct是内核数据结构对象
      • wait/waitpid是系统调用，操作系统当然可以访问内核数据

4.进程程序替换

0.为什么要创建一个新的子进程？

  • 为了不影响父进程
  • 想让父进程聚焦在读取数据，解析数据，指派进程执行代码的功能
  • 如果不创建，那么替换的进程只能是父进程，如果创建了，替换的进程就是子进程，而不影响父进程

1.替换原理

  • 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)
    • 但如果子进程想执行一个全新的程序，该怎么办？
  • 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
      • 将新的磁盘上的程序加载到内存，并和当前进程的页表，重新建立映射
    • 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

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2.替换函数

  • 有六种以exec开头的函数，统称exec函数
    • exec*：功能其实就是加载器的底层接口
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[]);
  • 可变参数列表部分/环境变量，最后一个参数必须是NULL，标识参数传递完毕
  • 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
      • 在环境变量PATH中查找要执行的程序
    • e(env) : 表示自己维护环境变量
  • 注意:传参时，第一个参数都应该和要替换的程序名一样
函数名参数格式是否带路径是否使用当前环境变量
execl列表不是是
execlp列表是是
execle列表不是不是，须自己配置环境变量
execv数组不是是
execvp数组是是
execve数组不是不是，须自己配置环境变量
  • 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

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3.思考问题

  • 加载新程序之前，父子的数据和和代码的关系 --> 代码共享，数据写时拷贝
    • 当子进程加载新程序的时候，不就是一种"写入"么，代码要不要写时拷贝，将父子的代码分离？
      • 必须分离
      • 父子进程在代码和数据上就彻底分开了

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_37281656/article/details/137699059

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