深入理解Linux中進(jìn)程控制（精講）

一、進(jìn)程創(chuàng)建

fork函數(shù)初識(shí)

在Linux中，fork函數(shù)是非常重要的函數(shù)，它從已存在進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。新進(jìn)程為子進(jìn)程，而原進(jìn)程為父進(jìn)程。

返回值：

在子進(jìn)程中返回0，父進(jìn)程中返回子進(jìn)程的PID，子進(jìn)程創(chuàng)建失敗返回-1。

進(jìn)程調(diào)用fork，當(dāng)控制轉(zhuǎn)移到內(nèi)核中的fork代碼后，內(nèi)核做：

分配新的內(nèi)存塊和內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給子進(jìn)程。

將父進(jìn)程部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容拷貝至子進(jìn)程。

添加子進(jìn)程到系統(tǒng)進(jìn)程列表當(dāng)中。

fork返回，開始調(diào)度器調(diào)度。

fork之后，父子進(jìn)程代碼共享。例如：

運(yùn)行結(jié)果如下：

這里可以看到，Before只輸出了一次，而After輸出了兩次。其中，Before是由父進(jìn)程打印的，而調(diào)用fork函數(shù)之后打印的兩個(gè)After，則分別由父進(jìn)程和子進(jìn)程兩個(gè)進(jìn)程執(zhí)行。也就是說，fork之前父進(jìn)程獨(dú)立執(zhí)行，而fork之后父子兩個(gè)執(zhí)行流分別執(zhí)行。

注意： fork之后，父進(jìn)程和子進(jìn)程誰先執(zhí)行完全由調(diào)度器決定。

fork函數(shù)返回值

fork函數(shù)為什么要給子進(jìn)程返回0，給父進(jìn)程返回子進(jìn)程的PID？

一個(gè)父進(jìn)程可以創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程，而一個(gè)子進(jìn)程只能有一個(gè)父進(jìn)程。因此，對(duì)于子進(jìn)程來說，父進(jìn)程是不需要被標(biāo)識(shí)的；而對(duì)于父進(jìn)程來說，子進(jìn)程是需要被標(biāo)識(shí)的，因?yàn)楦高M(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程的目的是讓其執(zhí)行任務(wù)的，父進(jìn)程只有知道了子進(jìn)程的PID才能很好的對(duì)該子進(jìn)程指派任務(wù)。

為什么fork函數(shù)有兩個(gè)返回值？

父進(jìn)程調(diào)用fork函數(shù)后，為了創(chuàng)建子進(jìn)程，fork函數(shù)內(nèi)部將會(huì)進(jìn)行一系列操作，包括創(chuàng)建子進(jìn)程的進(jìn)程控制塊、創(chuàng)建子進(jìn)程的進(jìn)程地址空間、創(chuàng)建子進(jìn)程對(duì)應(yīng)的頁(yè)表等等。子進(jìn)程創(chuàng)建完畢后，操作系統(tǒng)還需要將子進(jìn)程的進(jìn)程控制塊添加到系統(tǒng)進(jìn)程列表當(dāng)中，此時(shí)子進(jìn)程便創(chuàng)建完畢了。

也就是說，在fork函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行return語句之前，子進(jìn)程就已經(jīng)創(chuàng)建完畢了，那么之后的return語句不僅父進(jìn)程需要執(zhí)行，子進(jìn)程也同樣需要執(zhí)行，這就是fork函數(shù)有兩個(gè)返回值的原因。

寫時(shí)拷貝

當(dāng)子進(jìn)程剛剛被創(chuàng)建時(shí)，子進(jìn)程和父進(jìn)程的數(shù)據(jù)和代碼是共享的，即父子進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)通過頁(yè)表映射到物理內(nèi)存的同一塊空間。只有當(dāng)父進(jìn)程或子進(jìn)程需要修改數(shù)據(jù)時(shí)，才將父進(jìn)程的數(shù)據(jù)在內(nèi)存當(dāng)中拷貝一份，然后再進(jìn)行修改。

這種在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)修改時(shí)再進(jìn)行拷貝的技術(shù)，稱為寫時(shí)拷貝技術(shù)。

1、為什么數(shù)據(jù)要進(jìn)行寫時(shí)拷貝？

進(jìn)程具有獨(dú)立性。多進(jìn)程運(yùn)行，需要獨(dú)享各種資源，多進(jìn)程運(yùn)行期間互不干擾，不能讓子進(jìn)程的修改影響到父進(jìn)程。

2、為什么不在創(chuàng)建子進(jìn)程的時(shí)候就進(jìn)行數(shù)據(jù)的拷貝？

子進(jìn)程不一定會(huì)使用父進(jìn)程的所有數(shù)據(jù)，并且在子進(jìn)程不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入的情況下，沒有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝，我們應(yīng)該按需分配，在需要修改數(shù)據(jù)的時(shí)候再分配（延時(shí)分配），這樣可以高效的使用內(nèi)存空間。

3、代碼會(huì)不會(huì)進(jìn)行寫時(shí)拷貝？

90%的情況下是不會(huì)的，但這并不代表代碼不能進(jìn)行寫時(shí)拷貝，例如在進(jìn)行進(jìn)程替換的時(shí)候，則需要進(jìn)行代碼的寫時(shí)拷貝。

fork常規(guī)用法

一個(gè)進(jìn)程希望復(fù)制自己，使子進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行不同的代碼段。例如父進(jìn)程等待客戶端請(qǐng)求，生成子進(jìn)程來處理請(qǐng)求。

一個(gè)進(jìn)程要執(zhí)行一個(gè)不同的程序。例如子進(jìn)程從fork返回后，調(diào)用exec函數(shù)。

fork調(diào)用失敗的原因

fork函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程也可能會(huì)失敗，有以下兩種情況：

系統(tǒng)中有太多的進(jìn)程，內(nèi)存空間不足，子進(jìn)程創(chuàng)建失敗。

實(shí)際用戶的進(jìn)程數(shù)超過了限制，子進(jìn)程創(chuàng)建失敗。

二、進(jìn)程終止

進(jìn)程退出場(chǎng)景

進(jìn)程退出只有三種情況：

代碼運(yùn)行完畢，結(jié)果正確。

代碼運(yùn)行完畢，結(jié)果不正確。

代碼異常終止（進(jìn)程崩潰）。

進(jìn)程退出碼

我們都知道m(xù)ain函數(shù)是代碼的入口，但實(shí)際上main函數(shù)只是用戶級(jí)別代碼的入口，main函數(shù)也是被其他函數(shù)調(diào)用的，例如在VS2013當(dāng)中main函數(shù)就是被一個(gè)名為__tmainCRTStartup的函數(shù)所調(diào)用，而__tmainCRTStartup函數(shù)又是通過加載器被操作系統(tǒng)所調(diào)用的，也就是說main函數(shù)是間接性被操作系統(tǒng)所調(diào)用的。

既然main函數(shù)是間接性被操作系統(tǒng)所調(diào)用的，那么當(dāng)main函數(shù)調(diào)用結(jié)束后就應(yīng)該給操作系統(tǒng)返回相應(yīng)的退出信息，而這個(gè)所謂的退出信息就是以退出碼的形式作為main函數(shù)的返回值返回，我們一般以0表示代碼成功執(zhí)行完畢，以非0表示代碼執(zhí)行過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，這就是為什么我們都在main函數(shù)的最后返回0的原因。

當(dāng)我們的代碼運(yùn)行起來就變成了進(jìn)程，當(dāng)進(jìn)程結(jié)束后main函數(shù)的返回值實(shí)際上就是該進(jìn)程的進(jìn)程退出碼，我們可以使用echo $?命令查看最近一次進(jìn)程退出的退出碼信息。

例如，對(duì)于下面這個(gè)簡(jiǎn)單的代碼：

代碼運(yùn)行結(jié)束后，我們可以查看該進(jìn)程的進(jìn)程退出碼。

[cl@VM-0-15-centos procTermination]$ echo $?

這時(shí)便可以確定main函數(shù)是順利執(zhí)行完畢了。

為什么以0表示代碼執(zhí)行成功，以非0表示代碼執(zhí)行錯(cuò)誤？

因?yàn)榇a執(zhí)行成功只有一種情況，成功了就是成功了，而代碼執(zhí)行錯(cuò)誤卻有多種原因，例如內(nèi)存空間不足、非法訪問以及棧溢出等等，我們就可以用這些非0的數(shù)字分別表示代碼執(zhí)行錯(cuò)誤的原因。

C語言當(dāng)中的strerror函數(shù)可以通過錯(cuò)誤碼，獲取該錯(cuò)誤碼在C語言當(dāng)中對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信息：

運(yùn)行代碼后我們就可以看到各個(gè)錯(cuò)誤碼所對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信息：

實(shí)際上Linux中的ls、pwd等命令都是可執(zhí)行程序，使用這些命令后我們也可以查看其對(duì)應(yīng)的退出碼。

可以看到，這些命令成功執(zhí)行后，其退出碼也是0。

但是命令執(zhí)行錯(cuò)誤后，其退出碼就是非0的數(shù)字，該數(shù)字具體代表某一錯(cuò)誤信息。

注意： 退出碼都有對(duì)應(yīng)的字符串含義，幫助用戶確認(rèn)執(zhí)行失敗的原因，而這些退出碼具體代表什么含義是人為規(guī)定的，不同環(huán)境下相同的退出碼的字符串含義可能不同。

進(jìn)程正常退出

return退出

在main函數(shù)中使用return退出進(jìn)程是我們常用的方法。

例如，在main函數(shù)最后使用return退出進(jìn)程。

運(yùn)行結(jié)果：

exit函數(shù)

使用exit函數(shù)退出進(jìn)程也是我們常用的方法，exit函數(shù)可以在代碼中的任何地方退出進(jìn)程，并且exit函數(shù)在退出進(jìn)程前會(huì)做一系列工作：

執(zhí)行用戶通過atexit或on_exit定義的清理函數(shù)。

關(guān)閉所有打開的流，所有的緩存數(shù)據(jù)均被寫入。

調(diào)用_exit函數(shù)終止進(jìn)程。

例如，以下代碼中exit終止進(jìn)程前會(huì)將緩沖區(qū)當(dāng)中的數(shù)據(jù)輸出。

運(yùn)行結(jié)果：

_exit函數(shù)

使用_exit函數(shù)退出進(jìn)程的方法我們并不經(jīng)常使用，_exit函數(shù)也可以在代碼中的任何地方退出進(jìn)程，但是_exit函數(shù)會(huì)直接終止進(jìn)程，并不會(huì)在退出進(jìn)程前會(huì)做任何收尾工作。

例如，以下代碼中使用_exit終止進(jìn)程，則緩沖區(qū)當(dāng)中的數(shù)據(jù)將不會(huì)被輸出。

運(yùn)行結(jié)果：

return、exit和_exit之間的區(qū)別與聯(lián)系

return、exit和_exit之間的區(qū)別

只有在main函數(shù)當(dāng)中的return才能起到退出進(jìn)程的作用，子函數(shù)當(dāng)中return不能退出進(jìn)程，而exit函數(shù)和_exit函數(shù)在代碼中的任何地方使用都可以起到退出進(jìn)程的作用。

使用exit函數(shù)退出進(jìn)程前，exit函數(shù)會(huì)執(zhí)行用戶定義的清理函數(shù)、沖刷緩沖，關(guān)閉流等操作，然后再終止進(jìn)程，而_exit函數(shù)會(huì)直接終止進(jìn)程，不會(huì)做任何收尾工作。

return、exit和_exit之間的聯(lián)系

執(zhí)行return num等同于執(zhí)行exit(num)，因?yàn)檎{(diào)用main函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后，會(huì)將main函數(shù)的返回值當(dāng)做exit的參數(shù)來調(diào)用exit函數(shù)。

使用exit函數(shù)退出進(jìn)程前，exit函數(shù)會(huì)先執(zhí)行用戶定義的清理函數(shù)、沖刷緩沖，關(guān)閉流等操作，然后再調(diào)用_exit函數(shù)終止進(jìn)程。

進(jìn)程異常退出

情況一：向進(jìn)程發(fā)生信號(hào)導(dǎo)致進(jìn)程異常退出。

例如，在進(jìn)程運(yùn)行過程中向進(jìn)程發(fā)生kill -9信號(hào)使得進(jìn)程異常退出，或是使用Ctrl+C使得進(jìn)程異常退出等。

情況二：代碼錯(cuò)誤導(dǎo)致進(jìn)程運(yùn)行時(shí)異常退出。

例如，代碼當(dāng)中存在野指針問題使得進(jìn)程運(yùn)行時(shí)異常退出，或是出現(xiàn)除0的情況使得進(jìn)程運(yùn)行時(shí)異常退出等。

三、進(jìn)程等待

進(jìn)程等待的必要性

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(huì)變成僵尸進(jìn)程，進(jìn)而造成內(nèi)存泄漏。

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。

對(duì)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。

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(duì)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(huì)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(jiǎn)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(hào)所殺，則低7位表示終止信號(hào)，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(hào)。

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

對(duì)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(hào)。

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(hào)。

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(hào)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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
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(duì)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(huì)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(huì)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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
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(hào)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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
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(cè)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(jiǎn)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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
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(dòng)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(duì)應(yīng)的PCB、進(jìn)程地址空間以及頁(yè)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(huì)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(duì)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(cè)的第2節(jié)，而其它五個(gè)函數(shù)在man手冊(cè)的第3節(jié)，也就是說其他五個(gè)函數(shù)實(shí)際上是對(duì)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(chǎng)景的。

下圖為exec系列函數(shù)族之間的關(guān)系：

做一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)單，其只需循環(huán)執(zhí)行以下步驟：

獲取命令行。

解析命令行。

創(chuàng)建子進(jìn)程。

替換子進(jìn)程。

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(jiǎn)易的shell，代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <pwd.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#define LEN 1024 //命令最大長(zhǎng)度
#define NUM 32 //命令拆分后的最大個(gè)數(shù)
int main()
{
char cmd[LEN]; //存儲(chǔ)命令
char* myargv[NUM]; //存儲(chǔ)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。