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1.1、fork函数初识
在linux中fork函数时非常重要的函数#xff0c;它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程#xff0c;而原进程为父进程#xff1b;
#include unistd.h
pid_t fork(void);
返回值#xff1a;自进程中返回0#xff0c;父进…1、进程创建
1.1、fork函数初识
在linux中fork函数时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
#include unistd.h
pid_t fork(void);
返回值自进程中返回0父进程返回子进程id出错返回-1
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将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程添加子进程到系统进程列表当中fork返回开始调度器调度 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看如下程序
int main( void )
{pid_t pid;printf(Before: pid is %d\n, getpid());if ( (pidfork()) -1 )perror(fork()),exit(1);printf(After:pid is %d, fork return %d\n, getpid(), pid);sleep(1);return 0;
} 运行结果
[rootlocalhost linux]# ./a.out
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677
After:pid is 43677, fork return 0
这里看到了三行输出一行before两行after。进程43676先打印before消息然后它有打印after。另一个after 消息有43677打印的。注意到进程43677没有打印before为什么呢如下图所示 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 1.2、fork函数返回值
子进程返回0父进程返回的是子进程的pid 1.3、写时拷贝
通常父子代码共享父子再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一份副本具体见下图: 1.4、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 1.5、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
2.1、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异常终止 2.2、进程常见退出方法
正常终止可以通过 echo $? 查看进程退出码
从main返回调用exit_exit
异常退出
ctrl c信号终止 2.3、_exit函数
#include unistd.h
void _exit(int status);
参数status 定义了进程的终止状态父进程通过wait来获取该值
说明虽然status是int但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时在终端执行$?发现返回值是255 2.4、exit函数
#include unistd.h
void exit(int status);exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前还做了其他工作
执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数关闭所有打开的流所有的缓存数据均被写入调用_exit int main()
{printf(hello);exit(0);
}运行结果:
[rootlocalhost linux]# ./a.out
helloint main()
{printf(hello);_exit(0);
}
运行结果:
[rootlocalhost linux]# ./a.out
[rootlocalhost linux]# 2.5、return退出
return是一种更常见的退出进程方法。执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit 的参数 3、进程等待
3.1、进程等待必要性
之前讲过子进程退出父进程如果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么刀枪不入“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 3.2、进程等待的方法
3.2.1、wait方法
#includesys/types.h
#includesys/wait.hpid_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 3.2.2、waitpid方法
pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
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
参数pidPid-1,等待任一个子进程。与wait等效。Pid0.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 3.3、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具体细节如下图只研究status低16比特位 测试代码
#include sys/wait.h
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include errno.h
int main( void )
{pid_t pid;if ( (pidfork()) -1 )perror(fork),exit(1);if ( pid 0 ){sleep(20);exit(10);} else{int st;int ret wait(st);if ( ret 0 ( st 0X7F ) 0 ){ // 正常退出printf(child exit code:%d\n, (st8)0XFF);}else if( ret 0 ) { // 异常退出printf(sig code : %d\n, st0X7F );}}
}
测试结果
[rootlocalhost linux]# ./a.out #等20秒退出
child exit code:10
[rootlocalhost linux]# ./a.out #在其他终端kill掉
sig code : 9 3.4、具体代码实现
进程的阻塞等待方式
int main()
{pid_t pid;pid fork();if(pid 0){printf(%s fork error\n,__FUNCTION__);return 1;} else if( pid 0 ){//childprintf(child is run, pid is : %d\n,getpid());sleep(5);exit(257);}else{int status 0;pid_t ret waitpid(-1, status, 0);//阻塞式等待等待5Sprintf(this is test for wait\n);if( WIFEXITED(status) ret pid ){printf(wait child 5s success, child return code is :%d.\n,WEXITSTATUS(status));}else{printf(wait child failed, return.\n);return 1;}}return 0;
}
运行结果:
[rootlocalhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.
进程的非阻塞等待方式
#include stdio.h
#include unistd.h
#include stdlib.h
#include sys/wait.h
int main()
{pid_t pid;pid fork();if(pid 0){printf(%s fork error\n,__FUNCTION__);return 1;}else if( pid 0 ){ //childprintf(child is run, pid is : %d\n,getpid());sleep(5);exit(1);}else{int status 0;pid_t ret 0;do{ret waitpid(-1, status, WNOHANG);//非阻塞式等待if( ret 0 ){printf(child is running\n);}sleep(1);}while(ret 0);if( WIFEXITED(status) ret pid ){printf(wait child 5s success, child return code is :%d.\n,WEXITSTATUS(status));}else{printf(wait child failed, return.\n);return 1;}} return 0;
} 4、进程程序替换
4.1、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),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 4.2、函数替换
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[]); 4.3、函数解释
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 4.4、命名理解
这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记
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PATHe(env) : 表示自己维护环境变量
函数名参数格式是否带路径是否使用当前环境变化execl列表不是是execlp列表是是execle列表不是不是须自己组装环境变量execv数组不是是 execvp 数组是是execve数组不是不是须自己组装环境变量
exec调用举例如下:
#include unistd.h
int main()
{char *const argv[] {ps, -ef, NULL};char *const envp[] {PATH/bin:/usr/bin, TERMconsole, 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
下图exec函数族 一个完整的例子: 5、做一个简易的shell
考虑下面这个与shell典型的互动
[rootlocalhost epoll]# ls
client.cpp readme.md server.cpp utility.h
[rootlocalhost epoll]# psPID TTY TIME CMD3451 pts/0 00:00:00 bash3514 pts/0 00:00:00 ps
用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表它随着时间的流逝从左 向右移动。shell从用户读入字符串ls。shell建立一个新的进程然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束 然后shell读取新的一行输入建立一个新的进程在这个进程中运行程序 并等待这个进程结束。 所以要写一个shell需要循环以下过程: 获取命令行解析命令行建立一个子进程fork替换子进程execvp父进程等待子进程退出wait
根据这些思路和我们前面的学的技术就可以自己来实现一个shell了
实现代码:
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include unistd.h
#include string.h
#include fcntl.h
#define MAX_CMD 1024
char command[MAX_CMD];
int do_face()
{memset(command, 0x00, MAX_CMD);printf(minishell$ );fflush(stdout);if (scanf(%[^\n]%*c, command) 0) {getchar();return -1; } return 0;
}char **do_parse(char *buff)
{int argc 0;static char *argv[32];char *ptr buff;while(*ptr ! \0) {if (!isspace(*ptr)) {argv[argc] ptr;while((!isspace(*ptr)) (*ptr) ! \0){ptr;}}else {while(isspace(*ptr)) {*ptr \0;ptr;}}}argv[argc] NULL;return argv;
}int do_exec(char *buff)
{char **argv {NULL};int pid fork();if (pid 0) {argv do_parse(buff);if (argv[0] NULL) {exit(-1);}execvp(argv[0], argv);}else{waitpid(pid, NULL, 0);}return 0;
}int main(int argc, char *argv[])
{while(1) {if (do_face() 0)continue;do_exec(command);}return 0;
}考虑函数和进程之间的相似性
exec/exit就像call/return 一个C程序有很多函数组成。一个函数可以调用另外一个函数同时传递给它一些参数。被调用的函数执行一定的操作然后返回一个值。每个函数函数都有他的局部变量不同的函数通过call/return系统进行通信
这种通过参数和返回值在拥有私有数据的函数间通信的模式是结构化程序设计的基础。Linux鼓励将这种应用于程序之内的模式扩展到程序之间如下图 一个C程序可以fork/exec另一个程序并传给它一些参数。这个被调用的程序执行一定的操作然后通过exit(n)来 返回值。调用它的进程可以通过waitret来获取exit的返回值
