【Linux】进程等待和替换——进程等待的原理、wait/waitpid方法、进程程序替换、进程替换原理、替换函数-Toy模板网

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进程等待和进程替换

1.进程等待

1.1进程等待的概念

进程等待指的是父进程等待子进程退出，以获取子进程的退出返回值，并释放子进程占用的资源。

当子进程先于父进程退出，但父进程没有关注子进程的退出状态时， 子进程会为了保存自己的退出状态而保持资源占用，这种情况被称为“僵尸进程”。为了避免这种情况，父进程可以通过进程等待的方式回收子进程资源。

在Linux中，可以使用wait()函数来实现进程等待。该函数会阻塞父进程，直到有子进程退出。当有子进程退出时，wait()函数会返回子进程的PID，并获取子进程的退出状态。这样，父进程就可以根据子进程的退出状态来决定下一步的操作。

总之，进程等待是Linux中一个重要的概念，它可以帮助父进程回收子进程占用的资源，避免僵尸进程的产生。

1.2进程等待的方法

进程等待的方法主要有两种：

使用wait()函数等待任意一个子进程的退出。

使用waitpid()函数等待指定的子进程的退出。

1.3wait方法

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

pid_t wait(int*status);

返回值：成功返回被等待进程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为NULL

1.4waitpid方法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

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。

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（1）如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。

（2）如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。

（3）如果不存在该子进程，则立即出错返回。

1.3获取子进程status

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不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待。

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1.4进程的阻塞和非阻塞等待

进程的阻塞等待方式

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;
}

//运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.

进程的非阻塞等待方式

#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;
}

2.进程程序替换

2.1进程替换的概念

Linux进程替换的概念是指在操作系统中，一个正在执行的进程被另一个新的进程完全替换的过程。简单来说，就是用一个新进程来替换当前正在执行的进程。这个新进程会从头开始执行自己的代码，而原来的进程会被终止。在Linux中，可以通过一些机制来实现进程替换，例如使用exec系列函数来替换当前进程的映像。

当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。

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2.2进程替换的方法

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数：

#include <unistd.h>`

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

以execl()函数为例：

进程替换函数通常指的是execl()函数。execl()函数用于在当前进程中执行一个新的程序，它会替换当前进程的映像，从新程序的启动代码开始执行，并且不再返回。这意味着execl()函数会替换当前进程的代码和数据段，使其成为一个新的程序。

execl()函数的原型如下：

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

其中，path参数指定要执行的新程序的路径，arg参数是新程序的命令行参数列表，后面可以有可变数量的参数，用NULL结束。

execl()函数在成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno来表示错误原因。

需要注意的是，execl()函数会替换当前进程的映像，因此在使用它之前需要确保当前进程已经完成了必要的准备工作，例如关闭了所有打开的文件描述符、释放了所有动态分配的内存等。

综上：这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。如果调用出错则返回-1；所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

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exec调用示例：

#include <unistd.h>
int main()
{
	char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
	char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
	execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 带e的，需要自己组装环境变量
	execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
	execv("/bin/ps", argv);
	
	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	execvp("ps", argv);
	// 带e的，需要自己组装环境变量
	execve("/bin/ps", argv, envp);
	exit(0);
}