进程终止与进程等待_c++ fork

fork 函数

fork 函数是 Linux 中一个非常重要的函数，它的作用是从已存在的进程中创建一个新进程。这个新进程就是当前进程的子进程。

fork() 函数使用方法：它在头文件 #include <unistd.h> 中，函数原型为

pid_t fork(void);

用一个 pid_t 类型的变量来接收 fork() 函数的返回值。当创建进程成功时，fork() 函数会给子进程返回 0，给父进程返回新创建的子进程的 id；当创建失败时，fork() 函数会返回 -1（给父进程返回，因为子进程根本没创建出来）

当创建子进程成功后，操作系统会做：

• 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
• 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
• 添加子进程到系统进程列表当中
• fork返回，开始调度器调度

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。但它们都运行到相同的地方后，每个进程都会可以开始它们自己的旅程。可以使用下面的代码测试（Linux系统）：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main(void)
{
	pid_t pid = fork();
	printf("Before: pid is %d\n", getpid());
	if (pid == -1) perror("fork()"), exit(1);
	if (pid == 0)
	{
		printf("child:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
	}
	else
	{
		printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
	}
	sleep(1);
	return 0;
}

运行结果：

fork()函数 内核示意图

fork() 函数的常规用法及错误原因

常规用法

• 一个父进程希望复制自己，使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。
• 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 

错误原因

• 系统中有太多的进程
• 实际用户的进程数超过了限制

C/C++中捕捉错误的方式（代码运行完毕，结果错误）

errno 是C语言调用C函数时的错误码，当调用函数出错时，它会在内部给出错误码（数字），但这个数字往往我们不知道是什么错误，那我们就要用 strerror 函数来解析这个错误码。strerror 函数可以将错误码以字符串的形式描述起来。

代码异常终止

当代码异常终止时，一般操作系统会给这个进程发信号，让这个进程以某种错误而终止，其表现就是这个进程被操作系统杀掉！它的内部逻辑类似于手动调用 kill 指令。

kill -n id

n 为选项，表示各种信号；id 为被发送信号进程的 id

使用如下指令可以查看 Linux 中全部的信号

kill -l

进程终止

进程退出有三种场景：

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果不正确
• 代码异常终止

这三种情况可以用2个数字组合完全覆盖！

当进程正常终止时：可以通过 echo $? 查看进程退出码。

进程正常终止有三种情况：1. 从main返回；2. 调用exit；3. 调用_exit

异常退出：ctrl + c，信号终止

exit() 函数

#include <unistd.h>
void exit(int status);

status 定义了进程的终止状态，也就是进程的结果正确还是不正确。status 是一个整形值，父进程可以通过 wait函数来获取该值，得到子进程的最终执行结果！

_exit() 函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

_exit() 函数与 exit() 函数的作用可以说是一模一样，只是在细节上有所差异：在终止进程时，exit() 函数会自动刷新缓冲区，而_exit() 函数不会！

其实相当于 exit()函数 是先调用了 _exit() 函数，如图

由此可以得出一个结论：我们所认识的缓冲区，并不在操作系统内部！否则 exit() 和 exit() 都应该能刷新缓冲区。

进程等待

什么是进程等待？

通过 wait/waitpid 的方式，让父进程对子进程进行资源回收的等待过程。那为什么要进行等待呢？

第一，可以解决子进程僵尸问题带来的内存泄漏问题（进程僵尸只有父进程回收才能解决，且不能被杀掉，所以这是目前必须使用进程等待解决的问题）；第二，父进程创建子进程的目的，就是让子进程来完成任务，而父进程需要知道子进程任务到底完成的如何，就必须通过等待的方式来获取子进程退出的信息（两个数字：退出码和信号）这个退出信息也许并不是必须的，但是系统需要提供这样的基础功能！

如何进行等待

在 Xshell 终端中输入如下指令，查看 waitpid 和 wait 的使用方式

wiat 和 waitpid 方法

man waitpid

wait 函数：

返回值：成功返回被等待进程 pid，失败则返回 -1。

参数：输出型参数，获取子进程退出状态，若不关心则可以设置成为NULL

waitpid 函数

返回值：当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；

参数：pid：Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。Pid>0，等待其进程ID与pid相等的子进程；status：WIFEXITED(status)： 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）

options:

WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。

那么父进程是如何得知子进程的退出信息呢？

子进程在退出的时候，要修改状态 Z，并将自己的退出信息和退出码写入 pcd 中，父进程通过读取子进程的 pcd 获取这些信息。注意：不能使用全局变量获取子进程的信息，因为进程之间具有独立性，各有各的进程地址空间，子进程对数据的修改不改变父进程中的数据！

获取子进程的 status

当需要获取子进程的 status时，通常采用位图的思想，使用位运算！

如图，经过位运算得到需要的数字：

是否收到信号的判定方法：exit sig 是否等于0，等于0说明没收到信号，不等于0说明收到了异常的信号；当一个进程异常了（收到信号），exit code 就变得没有意义了。

进程的阻塞等待和非阻塞等待

设 wait/waitpid 的返回值为 rid 

• rid > 0 ：等待成功
• rid == 0：等待成功，但对方（子进程）还没有退出
• rid < 0：等待失败 

对于 waitpid 方法而言，它的第三个参数 options 可以控制父进程是阻塞等待还是非阻塞等待。

阻塞等待：子进程不退出，父进程就一直等待子进程，waitpid 不返回。这种情况在计算机中叫 宕（dang）机或应用夯（hang）住了。这种等待的缺点就是父进程在等待的过程中，什么事都做不了！

进程的阻塞式等待代码

int main()
{
	pid_t pid;
	pid = fork();
	if (pid < 0) {
		printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);
		return 1;
	}
	else if (pid == 0) { //child
		printf("child is run, pid is : %d\n", getpid());
		sleep(5);
		exit(257);
	}
	else {
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5S
		printf("this is test for wait\n");
		if (WIFEXITED(status) && ret == pid) {
			printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status));
		}
		else {
			printf("wait child failed, return.\n");
			return 1;
		}
	}
	return 0;
}

非阻塞等待：如果子进程的退出条件不满足，wait/waitpid 不会阻塞，而是立即返回！所以非阻塞等待一般要重复读多次调用，这种一般叫做：非阻塞轮询方案进行进程等待 这样做的好处是：在子进程没有退出的情况下，父进程可以在等待的过程中，顺便做一些占用时间比较少的事情。

进程的非阻塞式等待代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
	pid_t pid;
	pid = fork();
	if (pid < 0) {
		printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);
		return 1;
	}
	else if (pid == 0) { //child
		printf("child is run, pid is : %d\n", getpid());
		sleep(5);
		exit(1);
	}
	else {
		int status = 0;
		pid_t ret = 0;
		do
		{
			ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待
			if (ret == 0) {
				printf("child is running\n");
			}
			sleep(1);
		} while (ret == 0);
		if (WIFEXITED(status) && ret == pid) {
			printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status));
		}
		else {
			printf("wait child failed, return.\n");
			return 1;
		}
	}
	return 0;
}