【Linux后端服务器开发】进程控制与替换

news2025/11/1 1:44:56

目录

一、进程控制

1. 进程退出

2. 进程等待

2.1 阻塞等待

2.2 status位图结构

2.3 非阻塞等待

二、进程替换

1. exec*系列函数

2. 进程替换高级语言可执行程序

一、进程控制

1. 进程退出

进程退出会进入僵尸态，把自己的退出结果写入到自己的task_struct中

  • exit() 库函数：终止进程时主动刷新缓冲区
  • _exit() 系统调用：终止进程时不刷新缓冲区
#include <stdio.h>

int main() 
{
    printf("hello world");
    sleep(2);
    //exit(1);        //两秒后打印
    //_exit(1);       //两秒后不打印
    return 0;
}

代码退出的情况：

  1. 代码跑完，结果正确 ---- return 0;
  2. 代码跑完，结果错误 ---- return !0; 退出码有意义
  3. 代码未跑完，报异常 ---- 退出码无意义

进程退出的时候，有对应的退出码，标定进程执行的结果是否正确。

退出码：

  • return 0, 进程退出码为 0，标定进程执行的结果正确
  • 如何设置返回值退出码？
  • 如果不关心进程退出码，直接return 0 即可
  • 如果关心进程退出码，返回 0 表示正确，返回非0用特定的数据表明特定的错误
  • echo $? 查看上一个进程的退出码，? 是一个变量，永远存放上一个进程退出的退出码

打印错误码：

int main() 
{
    for (int i = 0; i < 100; ++i) 
    {
        printf("%d : %s\n", i, strerror(i));
    }
    return 0;
}

2. 进程等待

  • 去除子进程僵尸态，获取子进程退出结果
  • pid_t wait(int* status)：成功则返回被等待进程的pid，失败则返回-1
  • pid_t waitpid(pid_t id, int* status, int option)：option为0代表阻塞等待
  • wait/waitpid 是一个系统调用 ---> os有能力和资格去读取进程的task_struct

2.1 阻塞等待

子进程未退出，父进程只能阻塞在此等待子进程结束

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

int main() 
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) 
    {
        int cnt = 5;
        while (cnt) 
        {
            printf("子进程：%d, 父进程：%d, cnt = %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);
            sleep(1);
        }
        exit(10);
    }
    //父进程
    int status = 0;    // 保存退出码
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);    //option为 0 代表阻塞等待
    if (id > 0) 
    {
        printf("wait success: %d， sign: %d, exit code: %d\n", ret, (status & 0x7F), (status>>8) & 0xFF);
    }
    return 0;
}

2.2 status位图结构

  • status退出信号是一个32bit位的位图，只有低16个bit位存储退出信息
  • (status & 0x7F) 为终止信号， (status>>8) & 0xFF) 为退出状态
  • 异常退出，被信号杀死
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main() 
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) 
    {
        int cnt = 5;
        while (cnt) 
        {
            printf("子进程：%d, 父进程：%d, cnt = %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);
            sleep(1);
        }
        int a = 10;
        a /= 0;         //除 0 异常
        exit(10);
    }
    //父进程
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);    //option为 0 代表阻塞等待
    if (id > 0) 
    {
        printf("wait success: %d， sign: %d, exit code: %d\n", ret, (status & 0x7F), (status>>8) & 0xFF);
    }
    return 0;
}

8号终止信号代表浮点数异常

2.3 非阻塞等待

  • 非阻塞等待：子进程未退出，父进程检测之后立即返回
  • 非阻塞等待的意义：不用占用父进程的所有精力，可以在等待期间执行自己的任务
  • WIFEXITED(status)：是否正常退出，若正常退出则返回值非零
  • WEXITSTATUS(status)：提取子进程退出码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>

#define NUM 10

typedef void (*func_t)();   //函数指针

func_t handlerTask[NUM];

//测试样例
void Task1() 
{
    printf("handler task1\n");
}

void Task2() 
{
    printf("handler task2\n");
}

void Task3() 
{
    printf("handler task3\n");
}

//给父进程装载任务 
void LoadTask() 
{
    memset(handlerTask, 0, sizeof(handlerTask));
    handlerTask[0] = Task1;
    handlerTask[1] = Task2;
    handlerTask[2] = Task3;
}

int main() 
{
    pid_t id = fork();  //返回的本质就是写入, 写入时发生写时拷贝
    if (id < 0) 
    {
        printf("folk error\n");
        return 1;
    }
    else if (id == 0) 
    {
        int cnt = 5;
        while (cnt) 
        {
            printf("我是子进程: %d, 父进程: %d, cnt = %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);
            sleep(1);
            // int* p = NULL;
            // *p = 100;       //野指针报错, 退出信号为11
        }
        exit(10);
    }
    LoadTask();
    int status = 0;     //不是被整体使用的, 有自己的位图结构
    //非阻塞轮旋方式等待
    while (1) 
    {
        pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);  //非阻塞等待: 子进程未退出, 父进程检测之后立即返回
        if (ret == 0) 
        {
            //子进程未退出, waitpid等待失败, 仅仅是检测到子进程状态未退出
            for (int i = 0; handlerTask[i] != NULL; ++i)
                handlerTask[i]();
        }
        //等待子进程退出成功
        else if (ret > 0) 
        {
            //是否正常退出
            if (WIFEXITED(status)) 
            {
                //正常退出, WIFEXITED()返回值为!0
                //判断子进程运行结果是否正确
                printf("exit_code: %d\n", WEXITSTATUS(status));    
            }
            else 
            {
                //异常退出,被信号杀死
                printf("child process not normal\n");
            }
            break;
        }
        else 
        {
            // waitpid调用失败
            printf("waitpid call failed\n");
            break;
        }
        sleep(1);
    }
    return 0;       
}

二、进程替换

进程替换：将指定进程的代码加载到指定位置，覆盖自己的代码和数据

1. exec*系列函数

加载器的底层接口，可替换任何后端语言的可执行程序

  • int execl(const char* path, const char* arg, ...)，可变参数列表以NULL结尾
  • int execlp(const char* file, const char* arg, ...)，可自动在环境变量中寻找路径
  • int execv(const char* path, char* const arg[])，可变参数数组以NULL结尾
  • int execvp(const char* file, char* const arg[])
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    printf("process is running\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) 
    {
        sleep(1);
        //execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL);
        //execlp("ls", "ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL);
        char* const arg[] = {"ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL};
        //execv("/usr/bin/ls", arg);
        execvp("ls", arg);
        exit(10);   //若exc*调用成功，则此句代码被替换
    }
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
    if (ret > 0) 
    {
        printf("wait success, sig = %d, exit code = %d\n", (status & 0x7F), (status>>8) & 0xFF);
    }
    printf("process is running done\n");
    return 0;       
}

execve是系统调用，其他都是封装

  • int execle(const char* path, const char* arg, ... , char* const envp[])，可传环境变量
  • int execve(const char* path, char* const arg[], char* const envp[])
  • int execvpe(const char* file, char* const arg[], char* const envp[])

2. 进程替换高级语言可执行程序

创建一个test.c文件并编译 gcc -o test test.c

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

int main() 
{
    printf("C语言程序\n");
    printf("C语言程序\n");
    printf("PATH: %s\n", getenv("PATH"));
    printf("PWD: %s\n", getenv("PWD"));
    printf("MYENV: %s\n", getenv("MYENV"));
    printf("C语言程序\n");
    printf("C语言程序\n");
    exit(15);
}

创建一个py_test.py文件，chmod +x py_test.py

用进程替换这个程序，并打印环境变量

#!/bin/python
print('python process')
print('python process')
print('python process')
print('python process')
print('python process')

进程替换程序：

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

int main() 
{
    printf("process is running\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) 
    {
        sleep(1);
        putenv((char*)"MYENV=123456");     //添加自定义环境变量
        extern char** environ;
        execle("./test", "test", NULL, environ);
        exit(10);   //若exc*调用成功，则此句代码被替换
    }
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
    if (ret > 0) 
    {
        printf("wait success, sig = %d, exit code = %d\n", (status & 0x7F), (status>>8) & 0xFF);
    }
    execl("./py_test.py", "py_test.py", NULL);
    printf("process is running done\n");
    return 0;       
}

运行结果：

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