【Linux进程】进程等待 与 进程替换 原理与函数使用

一、进程等待

1.1 意义 / 必要性

为什么要有进程等待？ 我们知道，当子进程退出时，如果父进程不对其进行操作，子进程会变为僵尸进程。

而且当子进程结束时，我们如何知道子进程的最后执行情况呢？

父进程通过进程等待，可以：

1. 回收子进程资源
2. 获取子进程退出信息
3. 同步操作

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1.2 进程等待的函数（wait / waitpid）

wait函数

pid_t wait(int *status);
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• 该函数会暂停当前进程的执行，直到一个子进程结束。
• 如果子进程已经结束，该函数会立即返回。
• 函数返回值：执行成功 返回被等待进程pid，失败返回-1。
• status参数：获取子进程的退出状态，不需要则设为null。

waitpid函数

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
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• 参数：

  • pid
    pid = -1，表示等待任意子进程
    pid = 0，等待进程id=pid 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）
  • option
    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。

• 该函数会暂停当前进程的执行，直到指定的子进程结束。

• 返回值是结束子进程的进程ID，或者出错时的返回值。

主要的区别和用法总结如下：

• wait函数只能等待任意子进程结束，而waitpid函数可以指定具体的子进程进行等待。
• waitpid函数提供了更多的选项，可以在等待子进程时指定不同的行为。
• waitpid函数可以通过设置options参数来控制等待的方式，例如非阻塞、只等待指定状态等。
• 在多进程的场景中，可以使用waitpid函数更灵活地管理子进程的状态。

1.3 status参数

• wait 和 waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
• 如果 传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
• 否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程

status是int型的整数，用于存储子进程的退出状态信息。其低7位（0-6位）第7位（第7位），其他位（8位及以上），分别存放不同信息。

进程正常终止情况下：

• 低八位（0-7位） 存储的是进程的退出状态。这个状态是由exit系统调用或者C语言中的exit函数传递给操作系统的。
• 第八位：存储是否生成了core dump文件，如果生成了core dump文件，则该位会被置为1。
• 高八位（16-31位） 通常被设置为0，用于标识进程的终止状态。

被信号终止情况下：

• 低八位 ：存储的是导致进程终止的信号编号。当进程被信号终止时，状态的低八位会存储信号的编号，例如SIGSEGV表示段错误，SIGKILL表示进程被强制终止等。
• 第8位 ：存储是否生成了core dump文件，如果生成了core dump文件，则该位会被置为1。
• 高八位 ：通常被设置为0，用于标识进程的终止状态。

我们用位图来解释status

1.4 获取子进程status

我们通过下面一段代码 获取子进程status

// 程序获取进程status
int main() {
    pid_t id = fork();

    if (id == -1) {
        // 创建子进程失败
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (id == 0) {
        // 子进程
        printf("子进程正在运行\n");
        exit(10);  // 子进程退出状态设为 10
    } else {
        // 父进程
        int status;

        pid_t iid = waitpid(id, &status, 0);
        printf("After the wait function\n");
        if(iid == id)
        {
            printf("wait success, pid: %d, status: %d\n", iid, status);
        }
        sleep(10);
    }

    return 0;
}
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代码执行结果如下：

为什么我们给出退出码exit(10)而最后status值为2560？

根据上面status的存储分析：如果子进程正常退出，status 的值将会是子进程退出码的左移 8 位。

即前八位存储的是退出状态， 0000 1010 0000 0000，当我们返回其十进制后，即为2560。

1.5 进程的阻塞等待与非阻塞等待

意义

进程的阻塞等待和非阻塞等待是指在等待某个事件完成时，进程所采取的不同等待方式。

1. 阻塞等待（Blocking Wait）

• 当一个进程进行阻塞等待时，它会暂时停止执行，并将控制权交给操作系统。进程将进入睡眠状态，直到所等待的事件发生或满足某个条件。
• 在阻塞等待期间，操作系统会将进程从可运行状态转换为阻塞状态，并在事件发生后将进程重新唤醒。
• 阻塞等待是一种同步等待方式，即进程会一直等待直到事件完成或超时。

2. 非阻塞等待（Non-blocking Wait）

• 当一个进程进行非阻塞等待时，它会继续执行其他任务，而不会暂停等待。进程会周期性地检查所等待的事件是否已经发生或满足某个条件。
• 如果事件已经发生，则进程可以立即处理该事件并继续执行。如果事件还未发生，则进程可能会继续轮询等待，或者进行其他操作。
• 非阻塞等待是一种异步等待方式，即进程可以同时进行其他任务，而不必一直等待。

代码实现

1.5.1 进程阻塞等待

下面是代码实现：

int main()
{
    pid_t id = fork();

    if(id < 0) {
        // fork error
        perror("fork error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if(id == 0) {
        // 子进程
        std::cout << "子进程正在运行, pid: " << getpid() << std::endl;
        exit(10);
    }
    else{
        // 父进程
        int status;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0); // 阻塞等待，options设为0
        std::cout << "after wait" <<std::endl;
        if(rid == id && WIFEXITED(status))
        {
            std::cout << "wait success, pid: " << rid << ", status: " << status << std::endl;
        }
        else
        {
            std::cout << "子进程等待失败, return." << std::endl;
            return 1;
        }
        sleep(10);
    }
    return 0;
}
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代码执行结果如下：

1.5.2 进程非阻塞等待

代码实现如下：

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        // error
        perror("fork erorr");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }else if(id == 0){
        printf("子进程正在运行，pid:%d \n", getpid());
        exit(10);
    }else{
        int status;

        pid_t rid;
        do{ // 有子进程退出时 rid返回其pid
            pid_t rid = waitpid(id, &status, WNOHANG);
            if(rid == 0)
            {
                printf("child process is running\n");
            }
            sleep(5);
        }while(rid == 0);
        
        if(rid == id && WIFEXITED(status))
        {
            printf("wait success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
        }else{
            printf("wait child failed, return.\n");
            return 1;
        }
    }

    return 0;
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代码执行结果：

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二、进程替换

2.1 引言

首先，我们看下面一段代码：

#include 
#include 

int main() {
    std::cout << "This is the original program." << std::endl;

    // 执行程序替换，将当前进程替换为/bin/ls（列出当前目录内容）
    char *args[] = {"/bin/ls", "-l", NULL};
    execv("/bin/ls", args);

    // 如果execv执行成功，下面的代码不会被执行
    std::cerr << "Failed to execute /bin/ls!" << std::endl;
    return 1;
}

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代码的执行结果如下：

我们可以看到，程序运行后，执行了 ls -l 操作，而 Failed to execute /bin/ls! 并没有被打印到下面。

而ls本身也是一个程序，可以理解为，进程 被替换为了 ls 程序

2.2 进程替换原理

根据上面的图，我们分析进程替换原理，进程替换可以理解为下面的步骤：

1. 加载新程序映像：操作系统会从磁盘上读取新程序的可执行文件，并将其加载到内存中。
2. 创建新的页表：在加载新程序映像时，操作系统会创建一个新的页表来管理新程序所需的内存空间。
3. 替换进程内容：一旦新程序映像加载到内存中，操作系统 会将当前进程的内容替换为新程序的内容（代码、数据和堆栈等）
4. 开始执行新程序：替换完成后，控制权转移到新程序的入口点，新程序从那里开始执行

2.3 替换函数

像上面代码中所使用的execv函数，叫做程序替换函数：

下面列举这些程序替换函数，定义如下：

int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
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这些函数都是程序替换函数，它们的区别在于传递参数的方式和环境变量的处理：

1. execv：

• 参数：接受一个参数数组 argv，以及程序路径 path。
• 示例：execv("/bin/ls", argv);

2. execvp：

• 参数：与execv 类似，但是可以通过环境变量 PATH 搜索可执行文件。
• 示例：execvp("ls", argv);

3. execve：

• 参数：接受一个参数数组 argv，一个环境变量数组 envp，以及程序路径 filename。
• 示例：execve("/bin/ls", argv, envp);

4. execl：

• 参数：接受多个参数，最后一个参数必须是 NULL，不接受参数数组，需要将每个参数单独列出。
• 示例：execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);

5. execlp：

• 参数：与execl 类似，但是可以通过环境变量 PATH 搜索可执行文件。
• 示例：execlp("ls", "ls", "-l", NULL);

6. execle：

• 参数：与execl 类似，但是可以传递自定义的环境变量数组 envp。
• 示例：execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, envp);