【云原生】Linux进程控制(创建、终止、等待)

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&＃x1f389;所属专栏&＃xff1a; Linux学习之旅
&＃x1f38a;每篇一句&＃xff1a; 图片来源
&＃x1f383;操作环境&＃xff1a; CentOS 7.6 阿里云远程服务器

• Good judgment comes from experience, and a lot of that comes from bad judgment.
  • 好的判断力来自经验&＃xff0c;其中很多来自糟糕的判断力。

进程 创建后&＃xff0c;需要对其进行合理管理&＃xff0c;光靠 OS 是无法满足我们的需求的&＃xff0c;此时可以运用 进程 控制相关知识&＃xff0c;对 进程 进行手动管理&＃xff0c;如创建 进程、终止 进制、等待 进程 等&＃xff0c;其中等待 进程 可以有效解决僵尸 进程 问题

汽车的中控台&＃xff0c;可以对汽车进行各种操作

本文涉及的代码都是以 C语言 实现的

1、进程创建

在学习 进程控制 相关知识前&＃xff0c;先要对回顾如何创建 进程&＃xff0c;涉及一个重要的函数 fork

1.1、fork函数

#include //所需头文件
pid_t fork(void); //fork 函数


fork 函数的作用是在当前 进程 下&＃xff0c;创建一个 子进程&＃xff0c;子进程 创建后&＃xff0c;会为其分配新的内存块和内核数据结构(PCB)&＃xff0c;将 父进程 中的数据结构内容拷贝给 子进程&＃xff0c;同时还会继承 父进程 中的环境变量表

• 进程具有独立性&＃xff0c;即使是父子进程&＃xff0c;也是两个完全不同的进程&＃xff0c;拥有各自的 PCB
• 假设 子进程 发生改写行为&＃xff0c;会触发写时拷贝机制

fork 函数返回类型为 pid_t&＃xff0c;相当于 typedef int&＃xff0c;不过是专门用于进程的&＃xff0c;同时它拥有两个返回值&＃xff1a;

• 如果进程创建失败&＃xff0c;返回 -1
• 进程创建成功后
  • 给子进程返回 0
  • 给父进程返回子进程的 PID 值

通过代码理解 进程 创建

#include
#include
#include
#include //进程等待相关函数头文件int main()
{//创建两个子进程pid_t id1 &＃61; fork();if(id1 &＃61;&＃61; 0){//子进程创建成功&＃xff0c;创建孙子进程pid_t id2 &＃61; fork();if(id2 &＃61;&＃61; 0){printf("我是孙子进程&＃xff0c;PID:%d PPID:%d\n", getpid(), getppid());exit(1); //孙子进程运行结束后&＃xff0c;退出}wait(0); //等待孙子进程运行结束printf("我是子进程&＃xff0c;PID:%d PPID:%d\n", getpid(), getppid());exit(1); //子进程运行结束后&＃xff0c;退出}wait(0); //等待子进程运行结束printf("我是父进程&＃xff0c;PID:%d PPID:%d\n", getpid(), getppid());return 0; //父进程运行结束后&＃xff0c;退出
}


观察结果不难发现&＃xff0c;两个子进程已经成功创建&＃xff0c;但最晚创建的进程&＃xff0c;总是最先运行&＃xff0c;这是因为 fork 创建进程后&＃xff0c;先执行哪个进程取决于调度器

得到子进程后&＃xff0c;此时可以在一个程序中同时执行两个进程&＃xff01;(父进程非阻塞的情况下)

注意&＃xff1a;fork 可能创建进程失败

• 系统中的进程过多时
• 实际用户的进程数超过了限制

1.2、写时拷贝

在【进程地址空间】一文中&＃xff0c;谈到了写时拷贝机制&＃xff0c;实现原理就是通过 页表&＃43;MMU 机制&＃xff0c;对不同的进程进行空间寻址&＃xff0c;达到出现改写行为时&＃xff0c;父子进程使用不同真实空间的效果

验证写时拷贝现象很简单&＃xff0c;创建子进程后&＃xff0c;使其对生命周期长的变量作出修改&＃xff0c;再观察父子进程的结果即可

#include
#include
#include
#include //进程等待相关函数头文件const char* ps &＃61; "This is an Apple"; //全局属性int main()
{pid_t id &＃61; fork();if(id &＃61;&＃61; 0){ps &＃61; "This is a Banana"; //改写printf("我是子进程&＃xff0c;我认为&＃xff1a;%s\n", ps);exit(0); //子进程退出}wait(0); //等待子进程退出printf("我是父进程&＃xff0c;我认为&＃xff1a;%s\n", ps);return 0;
}


不难发现&＃xff0c;子进程对指针 ps 指向内容做出改变时&＃xff0c;父进程并不受影响&＃xff0c;这就是写时拷贝机制

• 通过地址打印&＃xff0c;发现父子进程中的 ps 地址一致&＃xff0c;因为此时是虚拟地址
• 在虚拟地址相同的情况下&＃xff0c;真实地址是不同的&＃xff0c;得益于 页表&＃43;MMU 机制寻址不同的空间

写时拷贝机制本质上是一种按需申请资源的策略

注意&＃xff1a;

• 写时拷贝不止可以发生在常规栈区、堆区&＃xff0c;还能发生在只读的数据段和数据段
• 写时拷贝后&＃xff0c;生成的是副本&＃xff0c;不会对原数据造成影响

2、进程终止

假设某个进程陷入了死循环状态&＃xff0c;可以通过特定方法终止此程序&＃xff0c;如在命令行中莫名其妙输入了一个指令&＃xff0c;导致出现非正常情况&＃xff0c;可以通过 ctrl &＃43; c 终止当前进程&＃xff1b;对于自己写的程序&＃xff0c;有多种终止方法&＃xff0c;程序退出时&＃xff0c;还会有一个退出码&＃xff0c;供 父进程 接收

2.1、退出码

echo $?


main 函数中的最后一条语句 return 0 表示当前程序的退出码&＃xff0c;0 表示程序正常退出&＃xff0c;可以通过指令 echo $? 查看最近一次子进程运行的 退出码

退出码是给父进程看的&＃xff0c;可以判断子进程是否成功运行

子进程运行情况&＃xff1a;

• 运行失败或异常终止&＃xff0c;此时出现终止信号&＃xff0c;无退出码
• 运行成功&＃xff0c;返回退出码&＃xff0c;可能出现结果错误的情况

进程退出后&＃xff0c;OS 会释放对应的 内核数据结构&＃43;代码和数据

main 函数退出&＃xff0c;表示整个程序退出&＃xff0c;而程序中的函数退出&＃xff0c;仅表示该函数运行结束

2.2、退出方式

对一个正在运行中的进程&＃xff0c;存在两种终止方式&＃xff1a;外部终止和内部终止&＃xff0c;外部终止时&＃xff0c;通过 kill -9 PID 指令&＃xff0c;强行终止正在运行中的程序&＃xff0c;或者通过 ctrl &＃43; c 终止前台运行中的程序

内部终止是通过函数 exit() 或 _exit() 实现的
之前在程序编写时&＃xff0c;发生错误行为时&＃xff0c;可以通过 exit(-1) 的方式结束程序运行&＃xff0c;代码中任意地方调用此函数&＃xff0c;都可以提前终止程序

void exit(int status);void _exit(int status);


这两个退出函数&＃xff0c;从本质上来说&＃xff0c;没有区别&＃xff0c;都是退出进程&＃xff0c;但在实际使用时&＃xff0c;还是存在一些区别&＃xff0c;推荐使用 exit()

比如在下面这段程序中&＃xff0c;分别使用 exit() 和 _exit() 观察运行结果

int main()
{printf("You can see me");//exit(-1); //退出程序//_exit(-1); //第二个函数return 0;
}


使用 exit() 时&＃xff0c;输出语句

使用 _exit() 时&＃xff0c;并没有任何语句输出

原因&＃xff1a;

• exit() 是对 _exit() 做的封装实现
• _exit() 就只是单纯的退出程序
• 而 exit() 在退出之前还会做一些事&＃xff0c;比如冲刷缓冲区&＃xff0c;再调用 _exit()
• 程序中输出语句位于输出缓冲区&＃xff0c;不冲刷的话&＃xff0c;是不会输出内容的

3、进程等待

僵尸进程 是一个比较麻烦的问题&＃xff0c;如果不对其做出处理&＃xff0c;僵尸进程 就会越来越多&＃xff0c;导致 内存泄漏 和 标识符 占用问题

3.1、等待原因

子进程运行结束后&＃xff0c;父进程没有等待并接收其退出码和退出状态&＃xff0c;OS 无法释放对应的 内核数据结构&＃43;代码和数据&＃xff0c;出现 僵尸进程

为了避免这种情况的出现&＃xff0c;父进程可以通过函数等待子进程运行结束&＃xff0c;此时父进程属于阻塞状态

注意&＃xff1a;

• 进程的退出状态是必要的
• 进程的执行结果是非必要的

也就是说&＃xff0c;父进程必须对子进程负责&＃xff0c;确保子进程不会连累 OS&＃xff0c;而子进程执行的结果是否正确&＃xff0c;需要我们自行判断

3.2、等待函数

系统提供的父进程等待函数有两个 wait() 和 waitpid()&＃xff0c;后者比较常用

#include
#include pid_t wait(int* status);pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);


wait() 函数前面已经演示过了&＃xff0c;这里着重介绍 waitpid() 返回值及其参数
wait() 中的返回值和参数&＃xff0c;包含在 waitpid() 中

返回值&＃xff1a;

• 等待成功时&＃xff0c;返回 >0 的值
• 等待失败时&＃xff0c;返回 -1
• 等待中&＃xff0c;返回 0

参数列表&＃xff1a;

• pid 表示所等子进程的 PID
• status 表示状态&＃xff0c;为整型&＃xff0c;其中高 16 位不管&＃xff0c;低 16 位中&＃xff0c;次低 8 位表示退出码&＃xff0c;第 7 位表示 code dump&＃xff0c;低 7 位表示终止信号
• options 为选项&＃xff0c;比如可以选择父进程是否需要阻塞等待子进程退出

需要特别注意 status

通过代码演示 waitpid() 的使用

int main()
{//演示 waitpid()pid_t id &＃61; fork(); //创建子进程if(id &＃61;&＃61; 0){int time &＃61; 5;int n &＃61; 0;while(n < time){printf("我是子进程&＃xff0c;我已经运行了:%d秒 PID:%d PPID:%d\n", n &＃43; 1, getpid(), getppid());sleep(1);n&＃43;&＃43;;}exit(244); //子进程退出}int status &＃61; 0; //状态pid_t ret &＃61; waitpid(id, &status, 0); //参数3 为0&＃xff0c;为默认选项if(ret &＃61;&＃61; -1){printf("进程等待失败&＃xff01;进程不存在&＃xff01;\n");}else if(ret &＃61;&＃61; 0){printf("子进程还在运行中&＃xff01;\n");}else{printf("进程等待成功&＃xff0c;子进程已被回收\n");}printf("我是父进程, PID:%d PPID:%d\n", getpid(), getppid());//通过 status 判断子进程运行情况if((status & 0x7F)){printf("子进程异常退出&＃xff0c;code dump&＃xff1a;%d 退出信号&＃xff1a;%d\n", (status >> 7) & 1, (status & 0x7F));}else{printf("子进程正常退出&＃xff0c;退出码&＃xff1a;%d\n", (status >> 8) & 0xFF);}return 0;
}


不发出终止信号&＃xff0c;让程序自然跑完

发出终止信号&＃xff0c;强行终止进程

waitpid() 的返回值可以帮助我们判断此时进程属于什么状态(在下一份测试代码中表现更明显)&＃xff0c;而 status 的不同部分&＃xff0c;可以帮助我们判断子进程因何而终止&＃xff0c;并获取 退出码(终止信号)

在进程的 PCB 中&＃xff0c;包含了 int _exit_code 和 int _exit_signal 这两个信息&＃xff0c;可以通过对 status 的位操作间接获取其中的值

注意&＃xff1a;

• status 的位操作需要多画图理解
• 正常退出时&＃xff0c;终止信号为0&＃xff1b;异常终止时&＃xff0c;退出码没有&＃xff0c;两者是互斥的
• code dump 现阶段用不到&＃xff0c;但它是伴随着终止信号出现的

如果觉得 (status >> 8) & 0xFF 和 (status & 0x7F) 这两个位运算难记&＃xff0c;系统还提供了两个宏来简化代码

• WIFEXITED(status) 判断进程退出情况&＃xff0c;当宏为真时&＃xff0c;表示进程正常退出
• WEXITSTATUS(status) 相当于 (status >> 8) & 0xFF&＃xff0c;直接获取退出码

3.3、等待时执行

//options 参数
WNOHANG//比如
waitpid(id, &status, WNOHANG);


父进程并非需要一直等待子进程运行结束(阻塞等待)&＃xff0c;可以通过设置 options 参数&＃xff0c;进程解除 夯 状态&＃xff0c;父进程变成 等待轮询 状态&＃xff0c;不断获取子进程状态(是否退出)&＃xff0c;如果没退出&＃xff0c;就可以干点其他事

#include
#include
#include
#include //进程等待相关函数头文件int main()
{//演示 waitpid()pid_t id &＃61; fork(); //创建子进程if(id &＃61;&＃61; 0){int time &＃61; 9;int n &＃61; 0;while(n < time){printf("我是子进程&＃xff0c;我已经运行了:%d秒 PID:%d PPID:%d\n", n &＃43; 1, getpid(), getppid());sleep(1);n&＃43;&＃43;;}exit(244); //子进程退出}int status &＃61; 0; //状态pid_t ret &＃61; 0;while(1){ret &＃61; waitpid(id, &status, WNOHANG); //参数3 设置为非阻塞状态if(ret &＃61;&＃61; -1){printf("进程等待失败&＃xff01;进程不存在&＃xff01;\n");break;}else if(ret &＃61;&＃61; 0){ printf("子进程还在运行中&＃xff01;\n");printf("我可以干一些其他任务\n");sleep(3);}else{printf("进程等待成功&＃xff0c;子进程已被回收\n");//通过 status 判断子进程运行情况if(WIFEXITED(status)){printf("子进程正常退出&＃xff0c;退出码&＃xff1a;%d\n", WEXITSTATUS(status));break;}else{printf("子进程异常退出&＃xff0c;code dump&＃xff1a;%d 退出信号&＃xff1a;%d\n", (status >> 7) & 1, (status & 0x7F));break;}}}return 0;
}


程序正常运行&＃xff0c;父进程通过 等待轮询 的方式&＃xff0c;在子进程执行的同时&＃xff0c;执行其他任务

当然也可以通过 kill -9 PID 命令使子进程异常终止

可以看到程序能分别捕捉到正常和异常的情况

注意&＃xff1a; 如果不写进程等待函数&＃xff0c;会引发僵尸进程问题

以上就是关于 Linux进程控制(创建、终止、等待) 的相关知识了&＃xff0c;我们学习了 子进程 是如何被创建的&＃xff0c;创建后又是如何终止的&＃xff0c;以及 子进程 终止 父进程 需要做些什么&＃xff0c;有了这些知识后&＃xff0c;在对 进程 进行操作时能更加灵活和全面

如果你觉得本文写的还不错的话&＃xff0c;期待留下一个小小的赞&＃x1f44d;&＃xff0c;你的支持是我分享的最大动力&＃xff01;

如果本文有不足或错误的地方&＃xff0c;随时欢迎指出&＃xff0c;我会在第一时间改正

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