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《Linux C编程实战》笔记：进程操作之退出，执行，等待

news 来源：原创 2024/5/20 15:46:29

进程退出

进程退出表示进程即将运行结束。在Linux中退出分为正常退出和异常退出。

正常退出：

  1. 在main函数中执行return
  2. 调用exit函数
  3. 调用_exit函数

异常退出：

  1. 调用abort函数
  2. 收到某个信号，这个信号是程序终止

退出方式比较

  1. exit和return的区别:exit是一个函数，有参数;而return是函数执行完后的返回。exit把控制权交给系统,而return将控制权交给调用函数。
  2. exit和 abort的区别:exit是正常终止进程，而about是异常终止。
  3. exit(int exit_code): exit中的参数exit_code为0代表进程正常终止，若为其他值表示程序执行过程中有错误发生，比如溢出、除数为0。
  4. exit()和_exit()的区别:exit在头文件stdlib.h中声明，而_exit()声明在头文件unistd.h中。两个函数均能正常终止进程，但是_exit()会执行后立即返回给内核，而exit()要先执行一些清除操作,然后将控制权交给内核。

父子进程终止的先后顺序不同会产生不同的结果。在子进程退出前父进程先退出,则系统会让 init进程接管子进程（前面有代码演示过）。当子进程先于父进程终止，而父进程又没有调用wait 函数等待子进程结束，子进程进入僵死状态，并且会一直保持下去除非系统重启。子进程处于僵死状态时，内核只保存该进程的一些必要信息以备父进程所需。此时子进程始终占用着资源,同时也减少了系统可以创建的最大进程数。如果子进程先于父进程终止，且父进程调用了wait或waitpid函数，则父进程会等待子进程结束。

执行新程序

使用fork或vfork创建子进程后，子进程通常会调用exec函数来执行另外一个程序。系统调用exec用于执行一个可执行程序以代替当前进程的执行映像。

注意:exec调用并没有生成新进程。一个进程一旦调用exec函数，它本身就“死亡”了，系统把代码段替换成新的程序的代码，废弃原有的数据段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段与堆栈段，惟一保留的就是进程ID。也就是说，对系统而言，还是同一个进程，不过执行的已经是另外一个程序了。

Linux下，exec函数族又6种不同的调用形式，如下：

  1. execl：

    • int execl(const char *path, const char *arg, ...);
    • 这个函数接受一个以空格分隔的参数列表，最后一个参数必须为 NULL。

    execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL);

  2. execv：

    • int execv(const char *path, char *const argv[]);
    • 这个函数接受一个参数数组，最后一个元素必须为 NULL。

    char *args[] = {"ls", "-l", NULL}; execv("/bin/ls", args);

  3. execle：

    • int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
    • 与 execl 相似，但可以指定新程序的环境变量。

    execle("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL, envp);

  4. execve：

    • int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
    • 与 execv 相似，但可以指定新程序的环境变量。

    char *args[] = {"ls", "-l", NULL}; execve("/bin/ls", args, envp);

  5. execlp：

    • int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
    • 与 execl 类似，但会在 PATH 环境变量指定的目录中查找可执行文件。

    execlp("ls", "ls", "-l", (char *)NULL);

  6. execvp：

    • int execvp(const char *file, char *const argv[]);
    • 与 execv 类似，但会在 PATH 环境变量指定的目录中查找可执行文件。

    char *args[] = {"ls", "-l", NULL}; execvp("ls", args);

这些函数执行成功时不会返回，而是将当前进程的映像替换为新的程序。如果函数调用失败，它们会返回 -1，并设置 errno 变量以指示错误的原因。

为了更好理解exec，首先要理解环境变量这个概念。Linux引入了环境变量的概念，包括用户的主目录，终端类型、当前目录等，它们定义了用户的工作环境，所以称为环境变量。可以使用env命令查看环境变量值，用户也可以修改这些变量值以定制自己的工作环境

示例程序1

演示环境变量的应用

#include<cstdlib>
#include<malloc.h>
#include<cstring>
#include <cstdio>
#include<ctime>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>
using namespace std;
extern char **environ;
int main(int argc,char *argv[]){int i;printf("Argument:\n");for(int i=0;i<argc;i++)printf("argv[%d] is %s\n",i,argv[i]);printf("Environment:\n");for(int i=0;environ[i]!=nullptr;i++)printf("%s\n",environ[i]);return 0;
}

还有很多环境变量，图片放不下了

命令行里输入命令env，环境变量和程序里应该是一样的

在C语言中，extern char **environ 是一个用于访问进程环境变量的外部变量声明。这个变量通常由操作系统或C库提供，用于存储当前进程的环境变量。

每个C程序在运行时都有一个环境变量表，其中包含了键值对形式的环境变量。environ 是一个指向字符串指针数组的指针，每个字符串指针指向一个环境变量的字符串。

通过访问 environ 变量，你可以迭代这个字符串指针数组，直到遇到一个空指针，表示环境变量列表的结束。每个字符串指针指向一个形如 "key=value" 的字符串，表示一个环境变量。

有一些系统和编译器提供了一个额外的参数，通常称为 envp，它是一个指向环境变量的字符串数组的指针。

int main(int argc, char *argv[],char **envp);

打印envp，也可以得到环境变量

int main(int argc,char *argv[],char **envp){int i;printf("Argument:\n");for(int i=0;i<argc;i++)printf("argv[%d] is %s\n",i,argv[i]);printf("Environment:\n");for(int i=0;envp[i]!=nullptr;i++)printf("%s\n",envp[i]);return 0;
}

这是main函数为上面形式的运行结果，确实可以打印环境变量

事实上无论是哪个exec函数，都是将可执行程序的路径、命令行参数和环境变量3个参数传递给可执行程序的main函数。

上面说到如果失败，即遇到错误的事件，exec函数会返回-1，以下是一些错误

 在 Linux 操作系统下，exec函数族可以执行二进制的可执行文件，也可以执行Shell脚本程序，但Shell脚本必须以下面所示的格式开头:第一行必须为:#! interpretername [arg]。其中 interpretername可以是Shell或其他解释器，例如，/bin/sh 或usr/bin/perl，arg是传递给解释器的参数。

示例程序2

演示exec函数的用法

processimage.cpp

这里写的是子进程到时候执行exec后执行的代码

#include<cstdio>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc,char *argv[],char **environ){int i;printf("I am a process image!\n");printf("My pid= %d,parent=%d\n",getpid(),getppid());printf("uid = %d,gid = %d\n",getuid(),getgid());for(i=0;i<argc;i++)printf("argv[%d]:%s\n",i,argv[i]);
}

getuid 和 getpid 是两个与进程和用户身份相关的系统调用函数。

  1. getuid 函数：

    • uid_t getuid(void);
    • 用于获取当前进程的用户实际用户标识（User ID）。返回值是用户的实际用户ID。

  2. getpid 函数：

    • pid_t getpid(void);
    • 用于获取当前进程的进程ID。返回值是当前进程的进程ID。

execve.cpp

#include<cstdio>
#include<sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include<unistd.h>
#include<cstdlib>
int main(int argc,char *argv[],char **environ){pid_t pid;int stat_val;printf("Exec example\n");pid=fork();switch (pid){case -1:perror("Process Creation failed\n");exit(1);case 0:printf("Child process is running\n");printf("My pid =%d,parentpid= %d\n",getpid(),getppid());printf("uid=%d,gid=%d\n",getuid(),getgid());execve("processimage",argv,environ);printf("process never go to here!\n");//是不会允许到这一句的default:printf("Parent process is running\n");break;}wait(&stat_val);exit(0);
}

注意顺序，先编译第一个程序，而且可执行文件名称要对应execve的参数

可以看到新程序进程的pid，ppid，uid和gid都保持了原来子进程的。调用execve之后，原有的子进程的映像被替代，所以那句打印永远不会执行

wait 函数的原型如下：

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);

  • pid_t 是进程ID的数据类型，通常是整数。
  • int *status 是一个指向整数的指针，用于存储子进程的终止状态。

wait 函数用于等待任意一个子进程的退出，并获取子进程的退出状态。其返回值是已经终止的子进程的进程ID。如果调用失败，返回值为 -1。

status 参数用于存储有关子进程终止状态的信息。如果不关心子进程的退出状态，可以将 status 设置为 NULL。如果 status 不是 NULL，则可以使用一些宏来检查 status 中的信息，例如：

  • WIFEXITED(status)：如果子进程正常终止（不是信号终止），返回非零。
  • WEXITSTATUS(status)：获取子进程的退出状态，只有在 WIFEXITED(status) 为真时才有效。

执行新程序后的进程除了保持了原来的进程ID、父进程ID、实际用户ID和实际组ID之外,进程还保持了许多原有特征,主要有。

  1. 当前工作目录。
  2. 根目录。
  3. 创建文件时使用的屏蔽字。
  4. 进程信号屏蔽字。
  5. 未决警告。
  6. 和进程相关的使用处理器的时间。
  7. 控制终端。
  8. 文件锁。

等待进程结束

之前提到的僵死状态，如果父进程调用了wait或waitpid，就不会使子进程编程僵尸进程

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

wait函数使父进程暂停执行，直到它的一个子进程结束为止。该函数的返回值是终止运行的子进程的PID。参数 statloc所指向的变量存放子进程的退出码（注意statloc本身不等于退出码）,即从子进程的main 函数返回的值或子进程中exit函数的参数。如果statloc不是一个空指针，状态信息将被写入它指向的变量。

头文件sys/wait.h中定义了解读进程退出状态的宏。

注：status就是通过statloc返回来的值

  1. WIFEXITED(status)：

    • 如果子进程正常终止（不是由于信号），则返回非零值。

  2. WEXITSTATUS(status)：

    • 如果 WIFEXITED(status) 为真，该宏返回子进程的退出状态。这是子进程传递给 exit 或 _exit 函数的值。

  3. WIFSIGNALED(status)：

    • 如果子进程是因为信号而终止，而不是正常退出，则返回非零值。

  4. WTERMSIG(status)：

    • 如果 WIFSIGNALED(status) 为真，该宏返回导致子进程终止的信号编号。

  5. WIFSTOPPED(status)：

    • 如果子进程当前已经停止，则返回非零值。这通常是由于接收到一个信号，要求进程停止执行。

  6. WSTOPSIG(status)：

    • 如果 WIFSTOPPED(status) 为真，该宏返回导致子进程停止的信号编号。

  7. WIFCONTINUED(status)：

    • 如果子进程由于接收到 SIGCONT 信号而继续运行，则返回非零值。

waitpid也用来等待子进程的结束，但它用于等待某个特定进程结束。参数pid指明要等待的子进程的PID。 参数 statloc的含义与wait函数中的statloc相同。options参数允许用户改变waitpid的行为，若将该参数赋值为WNOHANG，则使父进程不被挂起而立即返回并执行其后的代码。

下面是 waitpid 函数中 pid 参数不同取值的意义：

  1. pid > 0：

    • 表示等待具有进程ID为 pid 的子进程。
    • 如果该子进程还没有退出，则父进程会阻塞等待，直到子进程退出为止。
    • 如果子进程已经退出，父进程会立即返回。

  2. pid == -1：

    • 表示等待任意子进程，类似于 wait 函数。
    • 父进程会等待第一个终止的子进程，无论其进程ID是多少。

  3. pid == 0：

    • 表示等待与调用 waitpid 的父进程在同一个进程组的任意子进程。
    • 这对于等待同一作业中的任意子进程很有用。

  4. pid < -1：

    • 表示等待进程组ID为 pid 的任意子进程。
    • 这对于等待特定进程组中的任意子进程很有用。

以下是一些常用的 waitpid 选项及其对应的宏：

  1. WNOHANG：

    • 启用非阻塞模式，即如果没有子进程退出，则立即返回，而不会阻塞父进程。

  2. WUNTRACED：

    • 用于获取已经停止但尚未进入终止状态的子进程的状态信息。

  3. WCONTINUED：

    • 用于获取已经继续运行的子进程的状态信息。

这些宏可以与位运算结合使用，以同时指定多个选项。

如果想让父进程周期性地检查某个特定的子进程是否已经退出，可以按如下方式调用waitpid。

waitpid(child_pid, NULL,WNOHANG);

如果子进程尚未退出，它将返回0;如果子进程已经结束，则返回child _pid。调用失败时返回-1。失败的原因包括没有该子进程、参数不合法等。

注意:wait等待第一个终止的子进程，而 waitpid则可以指定等待特定的子进程。waitpid 提供了一个wait的非阻塞版本。有时希望取得一个子进程的状态，但不想使父进程阻塞，waitpid 提供了一个这样的选项: WNOHANG，它可使调用者不阻塞。如果一个没有任何子进程的进程调用wait函数，会立即出错返回。

示例程序3

演示wait的使用和子进程退出码的获得

#include<cstdlib>
#include<malloc.h>
#include<cstring>
#include <cstdio>
#include<ctime>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/wait.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>
using namespace std;
int main(){pid_t pid;const char *msg;int k;int exit_code;printf("Study how to get exit code\n");pid=fork();switch (pid){case 0:msg="Child process is running";k=5;exit_code=37;//这就是子进程的退出码break;case -1:perror("Process creation failed\n");exit(1);default:exit_code=0;break;}if(pid!=0){//父进程会执行这里int stat_val;pid_t child_pid;child_pid=wait(&stat_val);//父进程暂停等待子进程结束printf("Child process has exited,pid=%d\n",child_pid);if(WIFEXITED(stat_val))//通过这个判断子进程是否是正常结束的printf("Child exited with code %d\n",WEXITSTATUS(stat_val));//获得退出码else printf("Child exited abnormally\n");}else{//子进程会执行这里while (k-->0){puts(msg);sleep(1);}}exit(exit_code);
}

运行结果：

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