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如何理解：进程控制

作者：木道寻08 | 2024-08-17 05:12:30

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如何理解：进程控制

文章目录

前言：

​ 对于前面的地址空间的学习，我们现在了解到原来所谓变量的地址其实是虚拟地址，该虚拟地址是通过页表的映射关系从而找到内存中真实的物理地址！下面我们进入到关于进程的控制

进程创建：

​ 现在我们对进程就有了新的定义：进程 = 内核的相关管理数据数据结构(task_struct + mm_struct + 页表) + 代码和数据。 其中代码是父子进程共享的，数据是判断是否发生写实拷贝的。

  • fork函数的返回值

    我们之前也有过介绍，fork函数是用来创建子进程的，创建子进程成功则返回0，对于父进程的返回值则是子进程的pid，这一点虽然我上次没有细讲，但是在截图时就会发现。可以看看我之前博客——>进程理解

    • 子进程返回0
    • 父进程返回子进程的pid

  • 为什么父进程返回的是子进程的pid，给子进程返回的却是0呢？

    要记住，我们在讲解进程状态的时候，对于僵尸进程我们有过介绍，父进程是会管理子进程的，谈到管理永远是6个字——>”先描述，再组织“。

    所以当然是为了让父进程方便对子进程进行标识，进而进行管理！

  • fork函数的常规用法

    1. 一个父进程希望复制自己，使得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。
    2. 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。

  • fork调用失败的原因

    1. 系统中有太多的进程。
    2. 实际用户创建数超过限制。

进程终止：

  • 进程终止是在做什么呢？

    首先我们应该清楚一件事情——>当加载进程是，应当是先创建PCB、页表和地址空间等，再是加载代码和数据。

    所以进程终止是在：

    1. 释放曾经的代码和数据所占据的空间。
    2. 释放内核数据结构（若task_struct受僵尸状态，则演示释放）

  • 进程终止的3种情况

    • 提出问题：为什么main函数最后要返回0呢？为什么不是1或者100呢？
    #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	printf("I am a process! pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
	sleep(1);
	return 100;
}

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    [!TIP]

    我们可以使用指令：echo $?

    该指令代表父进程bash获取到子进程的退出码，0表示成功，非0表示失败。退出码的意义就是告诉关心方（父进程），我把任务处理的怎么了。

    ​ image-20240814221753931

    但我要是再次执行echo $?指令，表示的就是刚刚子进程的退出码，毕竟该指令是获取最近进程的退出码。

    ​ image-20240814221932725

    那这个退出码究竟有什么用，你想返回100或者0不是都可以吗。诶，这个时候操作系统会给我们提供个新的系统调用函数：strerror函数用来获取系统错误信息或打印用户程序错误信息，下面我们来用用这个系统调用

    [!TIP]

    #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>

int main()
{
 int errorcode = 0;
 for(errorcode = 0; errorcode <= 255; ++errorcode)
 {
     printf("%d -> %s\n", errorcode, strerror(errorcode));
 }
 return 100;
}

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    ​ image-20240814223501038

    ​ image-20240814224450118

    我们会打印特别多的错误码，每个错误码都对应了一个描述。所以为什么我们最后都会返回0，就是因为如果全部代码都执行完毕后，那肯定是不会存在问题的，那么就返回0。如果其中有一处有错误，系统就会直接进行返回相应的错误码。

    ​ image-20240814224639250

    这里是我随便ls一个文件夹，因为在当前目录未找到该文件夹，所以执行该指令的进程就会向bash返回相对应的错误码2。

    所以我们在输入指令的时候，本质也是OS创建子进程然后子进程在执行。这点我们通过指令echo $?可以很好的证明。

    这也能很好地说明bash为什么要得到子进程的退出码，为了知道子进程退出的情况（是否成功，失败又是什么原因），当然bash只是提供信息，不会自动解决，这只是一种为用户负责的体现

    • 我们也可以实现自定义退出码

      #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>

enum
{
    ERROR_DIV = -1,
    NOMARL_DIV
};

int exit_code = NOMARL_DIV;

int Div(int a, int b)
{
    if(b == 0)
    {
        exit_code = ERROR_DIV;
        //printf("This is error!\n");
        return exit_code;
    }
    exit_code = NOMARL_DIV;
    return a/b;
}

const char* ErrorMode(int mode)
{
    switch(mode)
    {
        case ERROR_DIV:
            return "Div zero";
        case NOMARL_DIV:
            return "Div nomarl";
        default:
            return "Unknow error!";
    }
}

int main()
{
	int ans = Div(4, 0);
	printf("ans is-> %d[%s]\n", ans, ErrorMode(exit_code));
	ans = Div(4, 2);
	printf("ans is-> %d[%s]\n", ans, ErrorMode(exit_code));
    return 0;
}

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      通过判断分母是否为0，从而实现判断结果是否是正确的！

      • 退出信号

        int main()
{
    int* p = NULL;
    *p = 3;
    printf("%d\n", *p);
    return 0;
}

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        对于上述代码，我们执行起来百分之百会出现报错，如果我们在VS上也写过这样的bug，那么该错误就是一个很典型的——段错误
        image-20240815120245588

        这个时候代码不会跑完，因为在执行的过程中出现了异常，就提前退出了。就像在VS写代码时，代码崩溃了，此时OS发现你的进程做了不该做的事情，OS就会杀掉进程，一旦出现了异常，退出码就没意义了。

        比如此时我使用指令echo $? 打印退出码，是会发现退出码为139，但是退出码在133后就是未知了：
        image-20240815121710938

        • 为什么会出现异常呢？

          本质上是因为进程收到了OS发给进程的信号。

          我们可以使用指令：kill -l
          image-20240815122015374

          段错误的出现就是对应的11号信号

          所以衡量一个进程的退出，我们（父进程bash）只需要两个数字：退出码 + 退出信号

          第一步是先确认是否异常
          若不是异常就一定是代码跑完了，看退出码就好了。

[!IMPORTANT]

所以进程终止的3种情况：

  1. 代码跑完，结果正确
  2. 代码跑完，结果不正确
  3. 代码执行时，出现了异常，提前退出了

如何终止进程？

  1. main函数的return，表示进程终止（非main函数的return，代表函数结束）
  2. 代码调用exit函数（在代码任意位置调用exit函数都表示进程退出）
  3. 通过系统调用函数_exit( )

  • exit( ) VS _exit( )

    1. exit( )是库函数，_exit( )是系统调用

    2. exit函数会在进程退出的时候，重置缓冲区，而 _exit( )不会，因此我们可以猜测缓冲区是在exit那一层，也可以说明使用exit( )库函数的本质是在调用系统调用函数 _exit( ).

      #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{ 
    printf("Hello, this is a test code!");
    exit(0);
}


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      #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{ 
    printf("Hello, this is a test code!");
    _exit(0);
}


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      image-20240815123237707

进程等待

​ 任何进程，在退出的情况系，一般必须要被父进程进行等待！

  • 为什么父进程要等待？

    1. 进程在退出的时候，如果父进程不管不顾，退出进程会出现僵尸状态从而到时内存泄漏。所以父进程通过等待，解决子进程出现的僵尸问题，为了回收系统资源。（这是一定要考虑的）
    2. 获取子进程的退出信息，知道子进程是因为什么退出的。（可选的功能）

  • 该怎么进行等待？

    我们可以使用系统调用函数：wait( ) 和 waitpid( ) 函数

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>

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

    • wait( )

      • 父进程阻塞等待任意一个子进程，子进程不退则父进程不退。
      • 该函数能够回收子进程资源，以及获取子进程的 pid。

      返回值：成功返回被等待进程的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NULL

      #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

void ChildRun()
{
    int cnt = 1;
    while(cnt <= 5)
    {
        printf("%d-> I am child process, pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());
        sleep(1);
        cnt++;
    }
}

int main()
{
    printf("I am process!\n");

    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // child
        ChildRun();
        printf("Child quit...\n");
        exit(123);
    }
    // father
    pid_t rid = wait(NULL);
    if(rid > 0)
    {
        printf("wait success, rid: %d\n", rid);
    }
    else
    {
        printf("wait failed!\n");
    }
    sleep(2);
    return 0;
}

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      最后是等待成功并且返回了子进程的pid

    • waitpid( )

      回收子进程资源，解决僵尸问题的同时，还能够获取子进程退出信息。

      返回值：

      • pid_t > 0：等待成功，子进程退出，并且父进程回收成功
      • pid_t < 0：等待失败
      • pid_t == 0：检测是成功的，只不过子进程还没退出，需要你下一次重复等待。

      参数：

      1. pid_t pid

        • pid == -1，等待任意一个子进程，与wait一样。
        • pid > 0，等待其进程的ID与pid相等的子进程。

      2. int* status

        • 输出型参数，用来保存退出信息，保存退出码 + 退出信号，让我们知道“退出”的情况如何

      3. int options

        • 指定父进程的等待方式，为 0 则让父进程进行 阻塞 等待，非 0 则进行 非阻塞 等待。

          #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
void ChildRun()
{
    int cnt = 1;
    while(cnt <= 5)
    {
        printf("%d-> I am child process, pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());
        sleep(1);
        cnt++;
    }
}

int main()
{
    printf("I am process!\n");

    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // child
        ChildRun();
        printf("Child quit...\n");
        exit(123);
    }
    // father
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(-1, &status, 0);
    if(rid > 0)
    {
        printf("wait success, rid: %d\n", rid);
    }
    else
    {
        printf("wait failed!\n");
    }
    sleep(2);
    printf("father process quit, status: %d\n", status);
    return 0;
}

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          最后的运行结果status是31488，这么奇怪的数字。

          • 分析status

            我们介绍过，status是输出型参数，记录了该进程的退出码 + 退出信号，但是我们应该如何利用一个值记录退出码和退出信号呢？

            [!NOTE]

            我们都知道，一个int* 变量的大小是4字节，那么也就是32个比特位，但status不能简单的当做int 来看待，可以当做位图来看，我们只研究低16比特位*

            分为两种情况：

            1. 正常终止时：高8位为退出码信息，低8位默认全部为0
            2. 被信号杀掉时（出现异常）：高8位不再使用，低7位存储终止信号，中间还有一位存core dump标志位

            image-20240815144220123

            红色各段就代表着 退出码 + 退出信号，退出码拥有8个比特位，而终止信号拥有7个比特位

            所以我们上述的31488其实是两个数据的整合，但是我们也可以打印出来看看。

            我们需要将退出码先挪动到低8位，再转换为10进制，所以我们可以用位运算操作符：
            打印退出码：(status >> 8) & 0xFF
            打印退出信号：status & 0x7F
            image-20240815145027841

            printf("exit_code: %d, exit_signal: %d\n", (status >> 8)&0xFF, (status & 0x7F));

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            最后的输出结果：
            image-20240815145620114

            因为我的子进程最后exit了123，又因为这是正常终止，所以返回退出码接收到了123.
            但如果我加一个段错误，再运行就会如下图所示：

            image-20240815150154379

            ​ image-20240815145913895

            此时是异常退出，status就会收到退出信号而非退出码。

            我们也可以利用两个宏，来查出退出码：

            1. WIFEXITED(status)：若位正常终止子进程返回的状态，则为真。（主要是查看子进程是否正常退出，本质上是查看signal位是否满足。
            2. WEXITSTATUS(status)：若WIFEXITED非空，提取子进程的退出码。
            if(WIFEXITED(status))
{
	printf("child process quit success, chid exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else
{
	printf("child process quit unnormal!\n");                                     
}

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非阻塞等待：

​ 我们上面讲的等待过程是属于阻塞等待，还记得我们在进程状态部分讲解过阻塞态吗，还记得阻塞态是会进入等待队列的吗？如果你有疑问的话可以去看看我之前写的博客：进程的祖册、挂起和运行状态。
​ 那我们刚刚介绍waitpid( )系统调用时，也介绍了参数option是控制关于非阻塞等待的，如果参数option为0，那就是阻塞等待，父进程会等待子进程结束，再进行父进程的操作，这是阻塞等待。
​ 非阻塞等待是父进程在等待子进程的过程中，父进程同时也在做某些操作，这就是非阻塞等待。

[!NOTE]

我们可以使用宏：WNOHANG 来表示父进程进入非阻塞等待。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

void ChildRun()
{
 int cnt = 1;
 while(cnt <= 5)
 {
     printf("%d-> I am child process, pid: %d, ppid: %d\n", cnt, getpid(), getppid());
     sleep(1);
     cnt++;
 }
}

void DoOtherThing()
{
 printf("   I am doing my father things while child process is running!\n");
}

int main()
{
 printf("I am a process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
 pid_t id = fork();
 if(id == 0)
 {
     //child
     ChildRun();
     printf("child process quit...\n");
     sleep(1);
     exit(0);
 }
 //father
 int status = 0;
 while(1)
 {
     pid_t rid = waitpid(0, &status, WNOHANG);
     if(rid == 0)
     {
         printf("   Just checking child process...\n");
         DoOtherThing();
         sleep(1);
     }
     else if(rid > 0)
     {
         printf("wait suceess!\n");
         break;
     }
     else
     {
         printf("wait failed!\n");
         break;
     }
 }
 if(WIFEXITED(status))
 {
     sleep(1);
     printf("father process quit success!\n");
     printf("exit_code: %d, exit_signal: %d\n", WEXITSTATUS(status), status&0x7F);
 }
 else
 {
     printf("quit unnormal!\n");
 }
 return 0;
}

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通过以上代码，我们就能实现子进程运行的同时，父进程也在运行自己的任务：
image-20240815174618876

总结：

​ 现在我们已经学会了有关进程创建的话题，接下来我们将要讨论进程替换的话题。

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