三、進(jìn)程等待

進(jìn)程等待的必要性

1. 子進(jìn)程退出，父進(jìn)程如果不讀取子進(jìn)程的退出信息，子進(jìn)程就會變成僵尸進(jìn)程，進(jìn)而造成內(nèi)存泄漏。
2. 進(jìn)程一旦變成僵尸進(jìn)程，那么就算是kill -9命令也無法將其殺死，因?yàn)檎l也無法殺死一個(gè)已經(jīng)死去的進(jìn)程。
3. 對于一個(gè)進(jìn)程來說，最關(guān)心自己的就是其父進(jìn)程，因?yàn)楦高M(jìn)程需要知道自己派給子進(jìn)程的任務(wù)完成的如何。
4. 父進(jìn)程需要通過進(jìn)程等待的方式，回收子進(jìn)程資源，獲取子進(jìn)程的退出信息。

獲取子進(jìn)程status

下面進(jìn)程等待所使用的兩個(gè)函數(shù)wait和waitpid，都有一個(gè)status參數(shù)，該參數(shù)是一個(gè)輸出型參數(shù)，由操作系統(tǒng)進(jìn)行填充。

如果對status參數(shù)傳入NULL，表示不關(guān)心子進(jìn)程的退出狀態(tài)信息。否則，操作系統(tǒng)會通過該參數(shù)，將子進(jìn)程的退出信息反饋給父進(jìn)程。

status是一個(gè)整型變量，但status不能簡單的當(dāng)作整型來看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具體細(xì)節(jié)如下（只研究status低16比特位）：

在status的低16比特位當(dāng)中，高8位表示進(jìn)程的退出狀態(tài)，即退出碼。進(jìn)程若是被信號所殺，則低7位表示終止信號，而第8位比特位是core dump標(biāo)志。

我們通過一系列位操作，就可以根據(jù)status得到進(jìn)程的退出碼和退出信號。

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出碼
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信號

對于此，系統(tǒng)當(dāng)中提供了兩個(gè)宏來獲取退出碼和退出信號。

• WIFEXITED(status)：用于查看進(jìn)程是否是正常退出，本質(zhì)是檢查是否收到信號。
• WEXITSTATUS(status)：用于獲取進(jìn)程的退出碼。

exitNormal = WIFEXITED(status);  //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  //獲取退出碼

需要注意的是，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程非正常退出時(shí)，說明該進(jìn)程是被信號所殺，那么該進(jìn)程的退出碼也就沒有意義了。

進(jìn)程等待的方法

wait方法

函數(shù)原型：pid_t wait(int* status);

作用：等待任意子進(jìn)程。

返回值：等待成功返回被等待進(jìn)程的pid，等待失敗返回-1。

參數(shù)：輸出型參數(shù)，獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)，不關(guān)心可設(shè)置為NULL。

例如，創(chuàng)建子進(jìn)程后，父進(jìn)程可使用wait函數(shù)一直等待子進(jìn)程，直到子進(jìn)程退出后讀取子進(jìn)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;
}

我們可以使用以下監(jiān)控腳本對進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控：

[cl@VM-0-15-centos procWait]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

這時(shí)我們可以看到，當(dāng)子進(jìn)程退出后，父進(jìn)程讀取了子進(jìn)程的退出信息，子進(jìn)程也就不會變成僵尸進(jìn)程了。

waitpid方法

函數(shù)原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

作用：等待指定子進(jìn)程或任意子進(jìn)程。

返回值：

1、等待成功返回被等待進(jìn)程的pid。

2、如果設(shè)置了選項(xiàng)WNOHANG，而調(diào)用中waitpid發(fā)現(xiàn)沒有已退出的子進(jìn)程可收集，則返回0。

3、如果調(diào)用中出錯(cuò)，則返回-1，這時(shí)errno會被設(shè)置成相應(yīng)的值以指示錯(cuò)誤所在。

參數(shù)：

1、pid：待等待子進(jìn)程的pid，若設(shè)置為-1，則等待任意子進(jìn)程。

2、status：輸出型參數(shù)，獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)，不關(guān)心可設(shè)置為NULL。

3、options：當(dāng)設(shè)置為WNOHANG時(shí)，若等待的子進(jìn)程沒有結(jié)束，則waitpid函數(shù)直接返回0，不予以等待。若正常結(jié)束，則返回該子進(jìn)程的pid。

例如，創(chuàng)建子進(jìn)程后，父進(jìn)程可使用waitpid函數(shù)一直等待子進(jìn)程（此時(shí)將waitpid的第三個(gè)參數(shù)設(shè)置為0），直到子進(jìn)程退出后讀取子進(jìn)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;
}

在父進(jìn)程運(yùn)行過程中，我們可以嘗試使用kill -9命令將子進(jìn)程殺死，這時(shí)父進(jìn)程也能等待子進(jìn)程成功。

注意： 被信號殺死而退出的進(jìn)程，其退出碼將沒有意義。

多進(jìn)程創(chuàng)建以及等待的代碼模型

上面演示的都是父進(jìn)程創(chuàng)建以及等待一個(gè)子進(jìn)程的例子，實(shí)際上我們還可以同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程，然后讓父進(jìn)程依次等待子進(jìn)程退出，這叫做多進(jìn)程創(chuàng)建以及等待的代碼模型。

例如，以下代碼中同時(shí)創(chuàng)建了10個(gè)子進(jìn)程，同時(shí)將子進(jìn)程的pid放入到ids數(shù)組當(dāng)中，并將這10個(gè)子進(jìn)程退出時(shí)的退出碼設(shè)置為該子進(jìn)程pid在數(shù)組ids中的下標(biāo)，之后父進(jìn)程再使用waitpid函數(shù)指定等待這10個(gè)子進(jìn)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); //將子進(jìn)程的退出碼設(shè)置為該子進(jìn)程PID在數(shù)組ids中的下標(biāo)
		}
		//father
		ids[i] = id;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
		if (ret >= 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;
}

運(yùn)行代碼，這時(shí)我們便可以看到父進(jìn)程同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程，當(dāng)子進(jìn)程退出后，父進(jìn)程再依次讀取這些子進(jìn)程的退出信息。

基于非阻塞接口的輪詢檢測方案

上述所給例子中，當(dāng)子進(jìn)程未退出時(shí)，父進(jìn)程都在一直等待子進(jìn)程退出，在等待期間，父進(jìn)程不能做任何事情，這種等待叫做阻塞等待。

實(shí)際上我們可以讓父進(jìn)程不要一直等待子進(jìn)程退出，而是當(dāng)子進(jìn)程未退出時(shí)父進(jìn)程可以做一些自己的事情，當(dāng)子進(jìn)程退出時(shí)再讀取子進(jìn)程的退出信息，即非阻塞等待。

做法很簡單，向waitpid函數(shù)的第三個(gè)參數(shù)potions傳入WNOHANG，這樣一來，等待的子進(jìn)程若是沒有結(jié)束，那么waitpid函數(shù)將直接返回0，不予以等待。而等待的子進(jìn)程若是正常結(jié)束，則返回該子進(jìn)程的pid。

例如，父進(jìn)程可以隔一段時(shí)間調(diào)用一次waitpid函數(shù)，若是等待的子進(jìn)程尚未退出，則父進(jìn)程可以先去做一些其他事，過一段時(shí)間再調(diào)用waitpid函數(shù)讀取子進(jìn)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;
}

運(yùn)行結(jié)果就是，父進(jìn)程每隔一段時(shí)間就去查看子進(jìn)程是否退出，若未退出，則父進(jìn)程先去忙自己的事情，過一段時(shí)間再來查看，直到子進(jìn)程退出后讀取子進(jìn)程的退出信息。

四、進(jìn)程程序替換

替換原理

用fork創(chuàng)建子進(jìn)程后，子進(jìn)程執(zhí)行的是和父進(jìn)程相同的程序（但有可能執(zhí)行不同的代碼分支），若想讓子進(jìn)程執(zhí)行另一個(gè)程序，往往需要調(diào)用一種exec函數(shù)。

當(dāng)進(jìn)程調(diào)用一種exec函數(shù)時(shí)，該進(jìn)程的用戶空間代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換，并從新程序的啟動例程開始執(zhí)行。

當(dāng)進(jìn)行進(jìn)程程序替換時(shí)，有沒有創(chuàng)建新的進(jìn)程？

進(jìn)程程序替換之后，該進(jìn)程對應(yīng)的PCB、進(jìn)程地址空間以及頁表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都沒有發(fā)生改變，只是進(jìn)程在物理內(nèi)存當(dāng)中的數(shù)據(jù)和代碼發(fā)生了改變，所以并沒有創(chuàng)建新的進(jìn)程，而且進(jìn)程程序替換前后該進(jìn)程的pid并沒有改變。

子進(jìn)程進(jìn)行進(jìn)程程序替換后，會影響父進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)嗎？

子進(jìn)程剛被創(chuàng)建時(shí)，與父進(jìn)程共享代碼和數(shù)據(jù)，但當(dāng)子進(jìn)程需要進(jìn)行進(jìn)程程序替換時(shí)，也就意味著子進(jìn)程需要對其數(shù)據(jù)和代碼進(jìn)行寫入操作，這時(shí)便需要將父子進(jìn)程共享的代碼和數(shù)據(jù)進(jìn)行寫時(shí)拷貝，此后父子進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)也就分離了，因此子進(jìn)程進(jìn)行程序替換后不會影響父進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)。

替換函數(shù)

替換函數(shù)有六種以exec開頭的函數(shù)，它們統(tǒng)稱為exec函數(shù)：

一、int execl(const char *path, const char *arg, ...);

第一個(gè)參數(shù)是要執(zhí)行程序的路徑，第二個(gè)參數(shù)是可變參數(shù)列表，表示你要如何執(zhí)行這個(gè)程序，并以NULL結(jié)尾。

例如，要執(zhí)行的是ls程序。

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

二、int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

第一個(gè)參數(shù)是要執(zhí)行程序的名字，第二個(gè)參數(shù)是可變參數(shù)列表，表示你要如何執(zhí)行這個(gè)程序，并以NULL結(jié)尾。

例如，要執(zhí)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[]);

第一個(gè)參數(shù)是要執(zhí)行程序的路徑，第二個(gè)參數(shù)是可變參數(shù)列表，表示你要如何執(zhí)行這個(gè)程序，并以NULL結(jié)尾，第三個(gè)參數(shù)是你自己設(shè)置的環(huán)境變量。

例如，你設(shè)置了MYVAL環(huán)境變量，在mycmd程序內(nèi)部就可以使用該環(huán)境變量。

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

四、int execv(const char *path, char *const argv[]);

第一個(gè)參數(shù)是要執(zhí)行程序的路徑，第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)指針數(shù)組，數(shù)組當(dāng)中的內(nèi)容表示你要如何執(zhí)行這個(gè)程序，數(shù)組以NULL結(jié)尾。

例如，要執(zhí)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[]);

第一個(gè)參數(shù)是要執(zhí)行程序的名字，第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)指針數(shù)組，數(shù)組當(dāng)中的內(nèi)容表示你要如何執(zhí)行這個(gè)程序，數(shù)組以NULL結(jié)尾。

例如，要執(zhí)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[]);

第一個(gè)參數(shù)是要執(zhí)行程序的路徑，第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)指針數(shù)組，數(shù)組當(dāng)中的內(nèi)容表示你要如何執(zhí)行這個(gè)程序，數(shù)組以NULL結(jié)尾，第三個(gè)參數(shù)是你自己設(shè)置的環(huán)境變量。

例如，你設(shè)置了MYVAL環(huán)境變量，在mycmd程序內(nèi)部就可以使用該環(huán)境變量。

char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);

函數(shù)解釋

• 這些函數(shù)如果調(diào)用成功，則加載指定的程序并從啟動代碼開始執(zhí)行，不再返回。
• 如果調(diào)用出錯(cuò)，則返回-1。

也就是說，exec系列函數(shù)只要返回了，就意味著調(diào)用失敗。

命名理解

這六個(gè)exec系列函數(shù)的函數(shù)名都以exec開頭，其后綴的含義如下：

• l(list)：表示參數(shù)采用列表的形式，一一列出。
• v(vector)：表示參數(shù)采用數(shù)組的形式。
• p(path)：表示能自動搜索環(huán)境變量PATH，進(jìn)行程序查找。
• e(env)：表示可以傳入自己設(shè)置的環(huán)境變量。

事實(shí)上，只有execve才是真正的系統(tǒng)調(diào)用，其它五個(gè)函數(shù)最終都是調(diào)用的execve，所以execve在man手冊的第2節(jié)，而其它五個(gè)函數(shù)在man手冊的第3節(jié)，也就是說其他五個(gè)函數(shù)實(shí)際上是對系統(tǒng)調(diào)用execve進(jìn)行了封裝，以滿足不同用戶的不同調(diào)用場景的。

下圖為exec系列函數(shù)族之間的關(guān)系：

做一個(gè)簡易的shell

shell也就是命令行解釋器，其運(yùn)行原理就是：當(dāng)有命令需要執(zhí)行時(shí)，shell創(chuàng)建子進(jìn)程，讓子進(jìn)程執(zhí)行命令，而shell只需等待子進(jìn)程退出即可。

其實(shí)shell需要執(zhí)行的邏輯非常簡單，其只需循環(huán)執(zhí)行以下步驟：

1. 獲取命令行。
2. 解析命令行。
3. 創(chuàng)建子進(jìn)程。
4. 替換子進(jìn)程。
5. 等待子進(jìn)程退出。

其中，創(chuàng)建子進(jìn)程使用fork函數(shù)，替換子進(jìn)程使用exec系列函數(shù)，等待子進(jìn)程使用wait或者waitpid函數(shù)。

于是我們可以很容易實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡易的shell，代碼如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define LEN 1024 //命令最大長度
#define NUM 32 //命令拆分后的最大個(gè)數(shù)
int main()
{
	char cmd[LEN]; //存儲命令
	char* myargv[NUM]; //存儲命令拆分后的結(jié)果
	char hostname[32]; //主機(jī)名
	char pwd[128]; //當(dāng)前目錄
	while (1){
		//獲取命令提示信息
		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);
		//讀取命令
		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(); //創(chuàng)建子進(jìn)程執(zhí)行命令
		if (id == 0){
			//child
			execvp(myargv[0], myargv); //child進(jìn)行程序替換
			exit(1); //替換失敗的退出碼設(shè)置為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的退出碼
		}
	}
	return 0;
}

效果展示：

說明：

當(dāng)執(zhí)行./myshell命令后，便是我們自己實(shí)現(xiàn)的shell在進(jìn)行命令行解釋，我們自己實(shí)現(xiàn)的shell在子進(jìn)程退出后都打印了子進(jìn)程的退出碼，我們可以根據(jù)這一點(diǎn)來區(qū)分我們當(dāng)前使用的是Linux操作系統(tǒng)的shell還是我們自己實(shí)現(xiàn)的shell。