Linux系统编程之进程控制

概述

        在Linux系统中，创建一个新的进程后，如何对该进程进行有效的控制，是一项非常重要的操作。控制进程状态的操作主要包括：进程的执行、进程的等待、进程的终止等。下面，我们将逐个进行介绍。

进程的执行

        创建进程后，通常需要让进程执行特定的任务。这可以通过exec系列函数来实现，这些函数会用新的程序替换当前进程的内存映像，即改变当前进程的行为。常见的exec函数有：execl、execlp、execle、execv和execvp等。

        1、execl函数使用可变参数列表来传递参数，最后一个参数必须是NULL。它要求提供完整的路径名来执行程序，其函数原型如下。

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

        path：新程序的完整路径名。

        arg：新程序的第一个参数，通常是程序名。

        ...：其他参数，最后一个参数必须是NULL。

        使用execl函数的示例代码如下。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main()
{execl("/bin/ls", "ls", "-l", "/home", NULL);return 0;
}

        2、execlp函数类似于execl，但它会在环境变量PATH中搜索指定的命令，因此不需要提供完整的路径名。其函数原型如下。

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

        file：要执行的程序名。

        arg：新程序的第一个参数，通常是程序名。

        ...：其他参数，最后一个参数必须是NULL。

        使用execlp函数的示例代码如下。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main()
{execlp("ls", "ls", "-l", "/home", NULL);return 0;
}

        3、execle函数类似于execl，但它允许传递一个环境变量列表，这对于需要在新环境中执行程序的情况非常有用。其函数原型如下。

int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

        path：新程序的完整路径名。

        arg：新程序的第一个参数，通常是程序名。

        ...：其他参数，最后一个参数必须是NULL。

        envp：环境变量列表，最后一个元素必须是NULL。

        使用execle函数的示例代码如下。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main()
{char *envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", NULL};execle("/bin/ls", "ls", "-l", "/home", NULL, envp);return 0;
}

        4、execv函数使用一个数组来传递参数列表，第一个参数是程序的完整路径名。其函数原型如下。

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

        path：新程序的完整路径名。

        argv：参数列表，最后一个元素必须是NULL。

        使用execv函数的示例代码如下。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main()
{char *argv[] = {"ls", "-l", "/home", NULL};execv("/bin/ls", argv);return 0;
}

        5、execvp函数类似于execv，但它会在环境变量PATH中搜索指定的命令，因此不需要提供完整的路径名。其函数原型如下。

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

        file: 要执行的程序名。

        argv: 参数列表，最后一个元素必须是NULL。

        使用execvp函数的示例代码如下。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main()
{char *argv[] = {"ls", "-l", "/home", NULL};execvp("ls", argv);return 0;
}

        为了方便查看这几个函数的区别，可以参考下面的思维导图。

进程的等待

        wait和waitpid函数用于等待子进程的结束，并获取子进程的状态信息。这两个函数在父进程中非常有用，可以防止子进程成为僵尸进程。

        1、wait函数等待任意一个子进程结束，并返回该子进程的PID。其函数原型如下。

pid_t wait(int *status);

        status：指向一个整型变量的指针，用于存储子进程的退出状态。如果不需要获取状态信息，可以传递NULL。

        返回值：成功时，返回已终止子进程的PID。如果没有子进程存在，则返回-1，并设置errno为ECHILD。

        使用wait函数的示例代码如下。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{pid_t pid = fork();if (pid == 0){// 子进程execlp("ls", "ls", "-l", "/home", NULL);perror("execlp failed");exit(1);}else if (pid > 0){// 父进程int status;pid_t cpid = wait(&status);if (WIFEXITED(status)){printf("Child process %d exited with status %d\n", cpid , WEXITSTATUS(status));}else if (WIFSIGNALED(status)){printf("Child process %d terminated by signal %d\n", cpid , WTERMSIG(status));}}else{perror("fork failed");return 1;}return 0;
}

        2、waitpid函数等待指定的子进程结束，并返回该子进程的PID。它比wait函数提供了更多的灵活性，比如：可以选择非阻塞等待。其函数原型如下。

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

        pid：指定要等待的子进程的ID。如果pid > 0，则等待进程ID等于pid的子进程。如果pid == 0，则等待任何其组ID等于调用进程的组ID的子进程。如果 pid < -1，则等待任何其组ID等于-pid的子进程。如果pid == -1，则等待任何子进程，这是最常用的情况。

        status：指向一个整型变量的指针，用于存储子进程的退出状态。如果不需要获取状态信息，可以传递NULL。

        options：可以用来改变waitpid的行为，常用的选项如下。

        （1）WNOHANG：如果没有子进程已经退出，则立即返回，不挂起调用进程。

        （2）WUNTRACED：如果有子进程已经停止运行，但未被跟踪，则返回该子进程的信息。

        （3）WCONTINUED：如果有子进程已经从暂停状态恢复运行，则返回该子进程的信息，仅在某些系统上可用。

        返回值：如果成功等待到一个子进程，将返回该子进程的PID。如果设置了WNOHANG选项，并且没有已退出的子进程可等待，将返回0。如果没有匹配的子进程，或调用失败，将返回-1，可通过errno来确定错误的原因。

进程的终止

        kill函数用于向一个或多个进程发送信号，这些信号可以用来控制进程的行为，比如：终止进程、暂停进程等。最常用的是：发送SIGTERM信号来请求进程正常终止，或者发送SIGKILL信号强制终止进程。其函数原型如下。

int kill(pid_t pid, int sig);

        pid：目标进程的进程ID。如果pid > 0，则信号将发送给进程ID为 pid 的进程。如果pid == 0，则信号将发送给所有与调用进程属于同一个进程组的进程。如果pid == -1，则信号将发送给所有除了发起该调用的进程以外的所有进程。如果pid < -1，则信号将发送给所有进程组ID为-pid的进程。

        sig：要发送的信号编号，常见的信号如下。

        （1）SIGTERM：请求进程优雅地终止。

        （2）SIGKILL：强制终止进程。

        （3）SIGINT：中断信号，通常是通过按下Ctrl + C发送的。

        返回值：如果成功发送信号，将返回0。如果发生错误，将返回-1，并设置errno来指示错误类型。