Linux进程的fork、exit、wait等函数；区分父子进程；GDB调试多进程_fork(), lockf(),exit(), wait() , sleep()等的用法

Linux系统中进程可以创建子进程。

1. fork函数：创建新进程

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
 
pid_t fork(void);
/*
功能：
    一个进程创建新进程。原进程为父进程，新进程为子进程。
返回值：
    成功：
        子进程中返回0，父进程中返回子进程的pid。
    失败：-1
    失败原因：
        a) 进程总数达到系统上限，此时errno被设置为EAGAIN
        b) 系统内存不足，此时errno被设置为ENOMEM
*/

fork示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
 
 
int test01() {
    fork(); // fork成功的话，给子进程返回0，给父进程返回子进程的pid
    printf("Hello world\n");
}

运行结果：

pc指针：指向当前运行指令的下一条指令。

fork时，父进程的pc指针也会复制，因此子进程会从fork后的指令开始执行。

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2. exit和_exit函数：结束进程

#include<stdlib.h>
 
void exit(int status);  // 标准库函数
 
/*******************************************/
 
#include<unistd.h>
 
void _exit(int status);  // 系统调用
/*
功能：
    结束调用此函数的进程，并将函数的退出状态放在status中。
参数：
    status：返回给父进程的参数（低8位有效），
            此参数根据需求填写；
            例如，写123，则正常退出时会传递状态码123；
            若被信号终止，则传递的退出码就是信号的编号，而不再是123.
*/

exit和_exit的区别：

exit会刷新缓冲区、关闭文件描述符：

  exit和_exit区别示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
 
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
    printf("Hello.");
 
    _exit(0); // 什么也不输出。
    //exit(0); // 输出Hello. exit会刷新缓冲区
    //return 0; // 输出Hello. return 0也会刷新缓冲区
}
/* 
注：若printf中有\n，则_exit(0)也会输出Hello. 
因为\n在标准输出中具有刷新缓冲区的作用.
*/

return也可结束进程，return和exit的区别是：

（1）若一个进程先后调用funcA，funcB。

         若funcA中使用exit结束，则该进程立即结束，不会再调用funcB；

         若funcA中使用return结束，则表示该funcA函数结束，仍会继续调用funcB.

（2）return退出进程时，不会关闭文件描述符、刷新缓冲区等，而exit可以。

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3. wait和waitpid

进程退出时，内核释放该进程大部分资源，包括打开的文件、占用的内存等。但仍保留了该进程的PCB信息，因此需要父进程通过wait和waitpid函数来进一步回收，否则这些进程会变成僵尸进程，消耗系统资源。

（1）wait函数：

  阻塞等待子进程退出，回收子进程资源。

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
 
pid_t wait(int* status);
/*
功能：
    等待任意一个子进程结束，回收该子进程资源，并传出子进程退出的状态到status。
参数：
    status：存储进程退出时的状态信息；NULL表示不关心子进程退出状态。
返回值：
    成功：被回收的子进程号
    失败：-1
*/

设置退出时的状态信息status使用方式：

（1）若WIFEXITED(status)非0：
        表示进程正常退出，可使用WEXITSTATUS(status)获取进程退出状态码（即exit的参数）。
（2）若WIFSIGNALED(status)非0：
        表示进程异常终止（被信号杀死），可使用WTERMSIG(status)获取终止信号的编号。
（3）若WIFSTOPPED(status)非0：
        表示进程被暂停，可使用WSTOPSIG(status)获取暂停信号的编号。
（4）若WIFCONTINUED(status)非0：
        表示进程暂停后被继续运行。

调用wait函数的进程会被阻塞，直到有一个子进程退出或收到一个不能被忽视的信号。

若调用wait的进程无子进程，wait函数会立即返回；若子进程早就结束，则wait函数也会立即返回，并且回收该早就结束的子进程。

若参数status的值不为NULL，wai函数会把子进程退出时的状态（int型数值）存入status，指出子进程是否为正常结束。该退出的状态信息。

wait和获取子进程退出状态信息示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
    pid_t pid = -1;
    int ret = -1;
    int status = 0;
 
    pid = fork();
    if (-1 == pid) {
        perror("fork");
        return 1;
    }
 
    if (0 == pid) { // 子进程
        printf("子进程%d运行...\n", getpid());
        sleep(10);
        exit(10); // 子进程终止。指定状态码为10.
    }
 
    // 父进程
    printf("父进程执行。等待子进程退出，回收其资源...\n");
 
    // 父进程阻塞，等待子进程退出
    ret = wait(&status);
    if (-1 == ret) {
        perror("wait");
        return 1;
    }
    printf("父进程回收子进程%d的资源...\n", ret);
 
    // 获取子进程退出的状态
    if (WIFEXITED(status)) {  // 子进程正常退出
        printf("子进程正常退出，状态码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
    } else if (WIFSIGNALED(status)) {
        printf("子进程被信号%d杀死了...\n", WTERMSIG(status));
    } else if (WIFSTOPPED(status)) {
        printf("子进程被信号%d暂停...\n", WSTOPSIG(status));
    }
    return 0;
}

 正常退出，显示指定的状态码10，运行结果：

 在另一个终端使用kill -9杀死该进程，运行结果：

在另一个终端直接使用kill杀死该进程，运行结果：

在另一个终端直接使用kill -19暂停该进程，运行结果：

 （2）waitpid函数：

 阻塞等待子进程退出，回收子进程资源；也可设置非阻塞，无子进程退出则立即返回。

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
 
pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
/*
功能：
    等待子进程结束，回收该子进程资源，并传出子进程退出的状态到status。
参数：
    pid：
        > 0：等待进程号为pid的子进程退出；
        = 0：等待同一个进程组中的任何子进程退出；若子进程已加入其他进程组，则不会等待；
        = -1：等待任意一个子进程退出，此时和等价于wait函数；
        < -1：等待进程组号为pid绝对值的进程组中的任何子进程退出。
    status：存储进程退出时的状态信息；NULL表示不关心子进程退出状态。
    options：
        0：阻塞父进程，等待子进程退出。此时同wait函数。
        WNOHANG：若无任何子进程退出，则立即返回。
        WUNTRACED：若子进程暂停，则立即返回。（少用）
返回值：
    a) 有子进程退出时，waitpid返回已收集到的退出子进程的进程号；
    b) 若options设为WNOHANG，调用waitpid时无子进程退出，则返回0；
    c) 若调用中出错，返回-1，同时设置errno. 
        如当pid对应的进程不存在，或pid对应的进程不是调用waitpid进程的子进程，就会出错，此时errno        
        被设为ECHILD。
*/    

 waitpid使用示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
    pid_t pid = -1;
    int ret = -1;
    int status = 0;
 
    pid = fork();
    if (-1 == pid) {
        perror("fork");
        return 1;
    }
 
    if (0 == pid) { // 子进程
        printf("子进程%d运行...\n", getpid());
        sleep(10);
        exit(10); // 子进程终止
    }
 
    // 父进程
    printf("父进程执行。等待子进程退出，回收其资源...\n");
 
    // 父进程阻塞，等待子进程退出
    // ret = waitpid(-1, &status, 0); // 此时等价于wait
    ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 设置非阻塞
    if (-1 == ret) {
        perror("wait");
        return 1;
    }
 
    if (0 == ret) {
        printf("暂无子进程退出，waitpid直接返回.\n");
    } else {
        printf("父进程回收子进程%d的资源...\n", ret);
    }
 
    return 0;
}

 运行结果：

 26行添加sleep(11)后，运行结果：

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4. 区分父子进程

通过fork的返回值区分：

若fork成功，则在子进程中返回0，父进程中返回子进程的pid。

示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
    pid_t pid = -1;
    int status = 0;
    int ret = -1;
 
    // 创建子进程。若创建成功，则在子进程中返回0，父进程中返回子进程的pid
    pid = fork();
    if (0 < pid) {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    
    if (0 == pid) {  // 子进程
        printf("这是子进程。进程号 = %d, 父进程号 = %d\n", getpid(), getppid());
        exit(0);  // 退出子进程，或者return。
    } else {  // 父进程
        printf("这是父进程。进程号 = %d, 子进程号 = %d\n", getpid(), pid);
    }
    
    ret = wait(&status); // 父进程等待回收子进程资源
    if(-1 == ret) {
        perror("wait");
        return 1;
    }
    
    return 0;
}

 运行结果：

---

5. 父子进程关系

（1）写时拷贝（copy-on-write）。读时共享、写时拷贝。父子进程未修改某变量时，无需拷贝；当父子进程之一修改该变量时，子进程就拷贝一份。

（2）在fork之前、之后open对文件描述信息的影响：

• 在fork前open，父子进程共享一个文件描述信息，包括引用计数、文件偏移等等。子进程复制了父进程的文件表项指针，指向的是同一个文件表项。
• 在fork后open，父子进程各自有自己的文件描述信息，互不影响。一个文件被打开了两次，即引用计数值为2，每个进程都有自己的一份，文件偏移也互不影响。

简单来说，就是先open再fork，文件描述信息是共享的；先fork再open，文件描述信息是独立的。

文件描述信息是内核为每个进程维护的一个文件描述符表，fork时文件描述信息不会被子进程复制，而是被共享（内核空间被所有进程共享）。因此fork之前open、read、write等操作改变了文件偏移，fork之后子进程会从改变了的文件偏移位置继续操作。

---

6. 父子进程堆区内存开辟释放问题

父子进程都要释放各自堆区的内存。

如下程序父子进程未释放堆区内存，有内存泄漏问题：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
    pid_t pid = -1;
    int ret = -1;
    int status = 0;
    int* p = malloc(sizeof(int)); 
    (*p) = 1;
 
    pid = fork();
    if (-1 == pid) {
        perror("fork");
        return 1;
    }
 
    if (pid > 0) {
        // 父进程
        (*p) = 3;
        printf("父进程(*p) = %d\n", (*p));
    } else {
        // 子进程
        sleep(1);
        printf("子进程(*p) = %d\n", (*p));
        exit(0);
    }
 
    ret = wait(&status); // 父进程回收子进程资源
    if(-1 == ret) {
        perror("wait");
        return 1;
    }
    
    return 0;
}

运行结果：

但存在内存泄漏问题。

valgrind查看内存泄漏情况：

有内存泄漏。 

 修改：在父子进程退出前释放各自的堆区内存：

free(p);
p = NULL;

再次查看内存泄漏情况：无内存泄漏。

---

补充： GDB调试多进程

GDB调试

有如下的多进程程序，需要使用GDB分别调试父子进程：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
    pid_t pid = -1;
    int status = 0;
    int ret = -1;
 
    pid = fork();
    if (-1 == pid) {
        perror("fork");
        return 1;
    }
 
    if (pid > 0) {
        // 父进程
        printf("父进程说太强了");
        printf("父进程笑尿了");
        printf("父进程哈哈哈哈哈");
    } else {
        // 子进程
        printf("子进程说太强了");
        printf("子进程笑尿了");
        printf("子进程哈哈哈哈哈");
        exit(0);
    }
    
    ret = wait(&status); // 父进程等待回收子进程资源
    if(-1 == ret) {
        perror("wait");
        return 1;
    }
 
    return 0;
}

GDB调试默认跟踪父进程，如下：

如何跟踪子进程呢？

在fork函数调用之前设置跟踪子进程：

set follow-fork-mode child

然后就会跟踪子进程，如下：