• 【Linux练习生】深度解剖-》进程控制


    一、进程创建

    fork函数初识

    在Linux中,fork函数是非常重要的函数,它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程,而原进程为父进程。

    返回值:
    在子进程中返回0,父进程中返回子进程的PID,子进程创建失败返回-1。

    进程调用fork,当控制转移到内核中的fork代码后,内核做:

    • 分配新的内存块和内核数据结构给子进程。
    • 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程。
    • 添加子进程到系统进程列表当中。
    • fork返回,开始调度器调度。

    fork之后,父子进程代码共享。也就是说,fork之前父进程独立执行,而fork之后父子两个执行流分别执行。

    注意: fork之后,父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定。

    fork函数返回值

    fork函数为什么要给子进程返回0,给父进程返回子进程的PID?

    一个父进程可以创建多个子进程,而一个子进程只能有一个父进程。因此,对于子进程来说,父进程是不需要被标识的;而对于父进程来说,子进程是需要被标识的,因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的,父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程指派任务。

    为什么fork函数有两个返回值?

    父进程调用fork函数后,为了创建子进程,fork函数内部将会进行一系列操作,包括创建子进程的进程控制块、创建子进程的进程地址空间、创建子进程对应的页表等等。子进程创建完毕后,操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表当中,此时子进程便创建完毕了。
    在这里插入图片描述
    因此,在fork函数内部执行return语句之前,子进程就已经创建完毕了,那么之后的return语句不仅父进程需要执行,子进程也同样需要执行,这就是fork函数有两个返回值的原因。

    二、进程终止

    进程退出场景

    进程退出只有三种情况:

    1.代码运行完毕,结果正确。
    2.代码运行完毕,结果不正确。
    3.代码异常终止(进程崩溃)。

    进程退出码

    我们都知道main函数是代码的入口,但实际上main函数只是用户级别代码的入口,main函数也是被其他函数调用的,例如在VS2013当中main函数就是被一个名为__tmainCRTStartup的函数所调用,而__tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统所调用的,也就是说main函数是间接性被操作系统所调用的。

    既然main函数是间接性被操作系统所调用的,那么当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息,而这个所谓的退出信息就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回,我们一般以0表示代码成功执行完毕,以非0表示代码执行过程中出现错误,这就是为什么我们都在main函数的最后返回0的原因。

    当进程结束后main函数的返回值实际上就是该进程的进程退出码,我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息:
    在这里插入图片描述
    相反的,当返回的是非0表示代码执行错误,代码执行错误有多种原因,例如内存空间不足、非法访问以及栈溢出等等,我们就可以用这些非0的数字分别表示代码执行错误的原因。

    C语言当中的strerror函数可以通过错误码,获取该错误码在C语言当中对应的错误信息:
    在这里插入图片描述
    运行代码:
    在这里插入图片描述
    注意: 退出码都有对应的字符串含义,帮助用户确认执行失败的原因,而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的,我们也可以自己规定,不同环境下相同的退出码的字符串含义可能不同。

    进程正常退出

    1.return退出
    在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。那如果是非main函数使用return呢,则代表函数返回,并不会造成进程退出,例如在main函数中调用Fun()函数,Fun()函数中使用return 1,此时main函数在调用完Fun()函数后进程依旧在进行中,并没有立即退出。
    2.exit函数
    使用exit函数退出进程也是我们常用的方法,exit函数可以在代码中的任何地方退出进程,并且exit函数在退出进程前会做一系列工作:

    • 执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数。
    • 关闭所有打开的流,所有的缓存数据均被写入。
    • 调用_exit函数终止进程。

    例如:在这里插入图片描述
    执行上面代码,会在四秒后输出打印hello world!,我们知道在睡眠的过程中,代码数据是保存在输出缓冲区中的,当调用exit()后,本身会要求系统进行缓冲区刷新,此时就会写入缓存区的数据,然后终止进程。
    3._exit函数
    _exit函数也可以在代码中的任何地方退出进程,但是_exit函数会直接终止进程,并不会在退出进程前会做任何收尾工作(比如刷新缓冲区)。

    例如,以下代码中使用_exit终止进程,则缓冲区当中的数据将不会被输出。

    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<unistd>//_exit()需要
    int main()
    {
    	printf("hello world!");
    	sleep(4);
    	_exit(12);
    }
    
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    在这里插入图片描述

    return、exit和_exit之间的区别与联系

    return、exit和_exit之间的区别

    只有在main函数当中的return才能起到退出进程的作用,子函数当中return不能退出进程,而exit函数和_exit函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用。

    使用exit函数退出进程前,exit函数会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲,关闭流等操作,然后再终止进程,而_exit函数会直接终止进程,不会做任何收尾工作。

    return、exit和_exit之间的联系

    1、执行return num等同于执行exit(num),因为调用main函数运行结束后,会将main函数的返回值当做exit的参数来调用exit函数。

    2、使用exit函数退出进程前,exit函数会先执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲,关闭流等操作,然后再调用_exit函数终止进程。

    进程异常退出

    即程序崩溃,此时退出码也变得没有意义了。

    情况一:向进程发生信号导致进程异常退出。

    例如,在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出,或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。

    情况二:代码错误导致进程运行时异常退出。

    例如,代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出,或是出现除0的情况使得进程运行时异常退出等。

    贴士:
    在这里插入图片描述

    三、进程等待

    进程等待的必要性

    • 子进程退出,父进程如果不读取子进程的退出信息,子进程就会变成僵尸进程,进而造成内存泄漏。
    • 进程一旦变成僵尸进程,那么就算是kill -9命令也无法将其杀死,因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。
    • 对于一个进程来说,最关心自己的就是其父进程,因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
    • 父进程需要通过进程等待的方式,回收子进程资源,获取子进程的退出信息。

    进程等待的方法

    wait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
    
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    例如,创建子进程后,父进程可使用wait函数一直等待子进程,直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

    #include<stdio.h>
      2 #include<string.h>
      3 #include<stdlib.h>
      4 #include<unistd.h>
      5 #include<sys/types.h>
      6 #include<sys/wait.h>
      7 int main()
      8 {                                                            
      9 /*  for(int i=0;i<140;i++)
     10   {
     11     printf("%d: %s\n",i,strerror(i));
     12 
     13   }
     14   return 0;
     15 */
     16 
     17    pid_t id=fork();
     18    if(id==0)
     19    {
     20      //child
     21      int cnt=5;
     22      while(cnt)
     23      {
     24         printf("child[%d] is running:cnt is :%d\n",getpid(),c    nt);
     25         cnt--;
     26         sleep(1);
     27 
     28      }
     29      exit(0);
     30    }
     31 
     32    sleep(10);
     33    printf("father wait begin!\n");
     34    pid_t ret=wait(NULL);
     35    if(ret>0)
     36    {
     37      printf("father wait:%d,success\n",ret);
     38    }
     39    else{
     40      printf("father wait failed!\n");
     41    }
     42    sleep(10);
     43    //father
     44 }               
    
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    我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控:

    while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done
    
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    在这里插入图片描述

    waitpid方法

    pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
    
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    作用:等待指定子进程或任意子进程。

    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,等待任意一个子进程。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。

    例1:我们保持原wait测试代码不动,仅将pid_t ret=wait(NULL);改为

    pid_t ret=waitpid(id,NULL,0);
    //第一个参数和子进程的进程id相同,所以为等待指定进程
    
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    运行有如下结果:
    在这里插入图片描述
    可以看到实现了和wait同样的效果。

    如果我们将pid_t ret=waitpid(id,NULL,0);修改为pid_t ret=waitpid(-1,NULL,0);
    则代表等待任意一个子进程,因为我们例子中只创建了一个子进程,所以两者效果相同,等待的是同一个子进程。

    获取子进程status

    我们再来理解下参数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。

    在等待之后,父进程能够拿到什么status结果,一定和子进程如何退出强相关,而子进程退出的话题,不就是我们刚刚讲到的进程退出吗?也就是说,父进程会通过status获得子进程执行的结果。

    我们知道,进程退出的三种场景:

    1.代码运行完毕,结果正确。
    2.代码运行完毕,结果不正确。
    3.代码异常终止(进程崩溃)。

    当代码运行完毕,也就是正常结束,我们会通过return或者exit获取进程退出码,如果进程因为异常问题,导致接受到了某种信号,进程也就会崩溃。

    那么status怎样表示进程信息的呢?

    status是一个整型变量,但status不能简单的当作整型来看待,status的不同比特位所代表的信息不同,具体如下(只研究status低16比特位):
    在这里插入图片描述

    在status的低16比特位当中,高8位表示进程的退出状态,即退出码。低7位表示终止信号,而第8位比特位是core dump标志。
    在这里插入图片描述

    我们通过一系列位操作,就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。

    exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
    exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号
    
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    对于此,系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。

    WIFEXITED(status):用于查看进程是否是正常退出,本质是检查是否收到信号。
    WEXITSTATUS(status):用于获取进程的退出码。

    • exitNormal = WIFEXITED(status); //是否正常退出
    • exitCode = WEXITSTATUS(status); //获取退出码

    举例:

    #include<stdio.h>                                                     
      2 #include<string.h>
      3 #include<stdlib.h>
      4 #include<unistd.h>
      5 #include<sys/types.h>
      6 #include<sys/wait.h>
      7 int main()
      8 {
      9 /*  for(int i=0;i<140;i++)
     10   {
     11     printf("%d: %s\n",i,strerror(i));
     12 
     13   }
     14   return 0;
     15 */
     16 
     17    pid_t id=fork();
     18    if(id==0)
     19    {
     20      //child
     21      int cnt=3;
     22      while(cnt)
     23      {
     24         printf("child[%d] is running:cnt is :%d\n",getpid(),cnt);
     25         cnt--;
     26         sleep(1);
     27 
     28      }
     29      exit(11);//子进程退出结果
     30    }
      //sleep(10);
     33    printf("father wait begin!\n");
     34 //   pid_t ret=wait(NULL);
     35 //   pid_t ret=waitpid(-1,NULL,0);
     36 //
     37    int status=0;
     38    pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
     39    if(ret>0)
     40    {
     41      //tatus exit code:退出码 status exit signal:退出信号
     42      printf("father wait:%d,success,status exit code:%d,status exit signal:%d\n",ret,(status)>>8&0xFF,status&0x7f);
     43    }
     44    else{
     45      printf("father wait failed!\n");
     46    }                                                                  
     47   // sleep(10);
     48    //father
     49 }
    
    
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    在这里插入图片描述
    需要注意的是,当一个进程非正常退出时,说明该进程是被信号所杀(进程信号不为0),那么该进程的退出码也就没有意义了。

    用宏的方式:
    在这里插入图片描述


    wait的应用:我们在命令行执行一个A进程后,可以通过echo $?获取此进程的退出码,是如何获取的呢?

    我们知道A进程的父进程是bash(命令行启动的所有进程的父进程),那么bash就是通过wait方式得到子进程的退出码,所以我们可以通过echo $?获取A进程的退出码


    多进程创建以及等待的代码模型

    上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子,实际上我们还可以同时创建多个子进程,然后让父进程依次等待子进程退出,这叫做多进程创建以及等待的代码模型。

    例如,以下代码中同时创建了10个子进程,同时将子进程的pid放入到ids数组当中,并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标,之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
    int main()
    {
    	pid_t ids[10];
    	for (int i = 0; i < 10; i++){
    		pid_t id = fork();
    		if (id == 0){
    			//child
    			printf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());
    			sleep(3);
    			exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
    		}
    		//father
    		ids[i] = id;
    	}
    	for (int i = 0; i < 10; i++){
    		int status = 0;
    		pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
    		if (ret >= 0){
    			//wait child success
    			printf("wiat child success..PID:%d\n", ids[i]);
    			if (WIFEXITED(status)){
    				//exit normal
    				printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
    			}
    			else{
    				//signal killed
    				printf("killed by signal %d\n", status & 0x7F);
    			}
    		}
    	}
    	return 0;
    }
    
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    运行代码,这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程,当子进程退出后,父进程再依次读取这些子进程的退出信息。
    在这里插入图片描述

    上述所给例子中,当子进程未退出时,父进程都在一直等待子进程退出,在等待期间,父进程不能做任何事情,即父进程不被调度执行,这种等待叫做阻塞等待。
    在这里插入图片描述

    基于非阻塞接口的轮询检测方案

    实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出,而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情,当子进程退出时再读取子进程的退出信息,即非阻塞等待。

    做法很简单,向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG,这样一来,等待的子进程若是没有结束,那么waitpid函数将直接返回0,不予以等待。而等待的子进程若是正常结束,则返回该子进程的pid。

    例如,父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数,若是等待的子进程尚未退出,则父进程可以先去做一些其他事,过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。

    举例:

    int main()
      8 {
      9 
     10    pid_t id=fork();
     11    if(id==0)
     12    {
     13      //child
     14      int cnt=10;
     15      while(cnt)
     16      {
     17         printf("child[%d] is running:cnt is :%d\n",getpid(),cnt);
     18         cnt--;
     19         sleep(1);
     20 
     21      }
     22      exit(1);//子进程退出结果
     23    }
     24 
     25    //sleep(10);
     26    printf("father wait begin!\n");
     27 //   pid_t ret=wait(NULL);
     28 //   pid_t ret=waitpid(-1,NULL,0);
     29 //
     30    int status=0;
     31    while(1)
     32    {
     33       pid_t ret=waitpid(id,&status,WNOHANG);                                                      
     34     if(ret==0)         
     35     {                  
     36       //子进程没有退出,但是waitpid等待是成功的,需要父进程重新进行等待
     37         //父进程可以做自己的事情,叫做非阻塞等待
     38       printf("DO father things\n"); 
     39     }
     else if(ret>0){    
     42       //子进程退出了,waitpid也成功了,获取到了对应的结果
     43         printf("father wait:%d,success,status exit code:%d,status exit signal:%d\n",ret,(status)>>    8&0xFF,status&0x7f);
     44         break;
     45     }                  
     46     else{              
     47        //等待失败
     48           perror("waitpid");
     49           break;
     50     }  
     51     sleep(1);    
     52    }
     53 }                  
    
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    运行结果就是,父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出,若未退出,则父进程先去忙自己的事情,过一段时间再来查看,直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

    四、进程程序替换

    替换原理

    用fork创建子进程后,子进程执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),若想让子进程执行另一个程序,往往需要调用一种exec函数。

    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(从调用开始的位置之后旧程序不会执行),并从新程序的启动例程开始执行。

    在这里插入图片描述

    当进行进程程序替换时,有没有创建新的进程?

    进程程序替换之后,该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变,只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变,所以并没有创建新的进程,而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。

    子进程进行进程程序替换后,会影响父进程的代码和数据吗?

    子进程刚被创建时,与父进程共享代码和数据,但当子进程需要进行进程程序替换时,也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作,这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝,此后父子进程的代码和数据也就分离了,因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。

    注意:当进程调用exec系列函数时,后续被替换的代码就不会执行,也就是说不会有返回值,如果有返回值,说明exec函数调用失败
    在这里插入图片描述

    替换函数

    替换函数有六种以exec开头的函数,它们统称为exec函数:

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

    第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以NULL结尾。

    例如,要执行的是ls程序。

    execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
    
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    二、int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

    第一个参数是要执行程序的名字,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以NULL结尾。

    例如,要执行的是ls程序。

    execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
    
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    三、int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

    第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是可变参数列表,表示你要如何执行这个程序,并以NULL结尾,第三个参数是你自己设置的环境变量。

    例如,你设置了MYVAL环境变量,在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。

    char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
    execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);
    
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    四、int execv(const char *path, char *const argv[]);

    第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以NULL结尾。

    例如,要执行的是ls程序。

    char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
    execv("/usr/bin/ls", myargv);
    
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    五、int execvp(const char *file, char *const argv[]);

    第一个参数是要执行程序的名字,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以NULL结尾。

    例如,要执行的是ls程序。

    char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
    execvp("ls", myargv);
    
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    六、int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

    第一个参数是要执行程序的路径,第二个参数是一个指针数组,数组当中的内容表示你要如何执行这个程序,数组以NULL结尾,第三个参数是你自己设置的环境变量。

    例如,你设置了MYVAL环境变量,在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。

    char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
    char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
    execve("./mycmd", myargv, myenvp);
    
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    函数解释

    • 这些函数如果调用成功,则加载指定的程序并从启动代码开始执行,不再返回。
    • 如果调用出错,则返回-1。也就是说,exec系列函数只要返回了,就意味着调用失败。

    命名理解

    这六个exec系列函数的函数名都以exec开头,其后缀的含义如下:

    l(list):表示参数采用列表的形式,一 一列出。
    v(vector):表示参数采用数组的形式。
    p(path):表示能自动搜索环境变量PATH,进行程序查找。
    e(env):表示可以传入自己设置的环境变量。
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原文链接:https://blog.csdn.net/chenlong_cxy/article/details/120444275


    事实上,只有execve才是真正的系统调用,其它五个函数最终都是调用的execve,所以execve在man手册的第2节,而其它五个函数在man手册的第3节,也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装,以满足不同用户的不同调用场景的。

    在这里插入图片描述

    做一个简易的shell

    shell也就是命令行解释器,其运行原理就是:当有命令需要执行时,shell创建子进程,让子进程执行命令,而shell只需等待子进程退出即可。在这里插入图片描述
    其实shell需要执行的逻辑非常简单,其只需循环执行以下步骤:

    获取命令行。
    解析命令行。
    创建子进程。
    替换子进程。
    等待子进程退出。

    其中,创建子进程使用fork函数,替换子进程使用exec系列函数,等待子进程使用wait或者waitpid函数。

    于是我们可以很容易实现一个简易的shell,代码如下:

    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/wait.h>
     
    #define NUM 128
    #define CMD_NUM 64
    int main()
    {
      char command[NUM];
      for(;;)
      {
        char *argv[CMD_NUM]={NULL};//存放各个命令
     
        //1.打印提示符
        command[0]=0;
        printf("[who@myhostname mydir]#");
        fflush(stdout);
     
        //2.获取命令字符串
        fgets(command,NUM,stdin);
        command[strlen(command)-1]='\0';
        
        //3.解析命令字符串
        //"ls -a -b -c\0";
        const char* sep=" ";
        argv[0]=strtok(command,sep);
        int i=1;
        while(argv[i]=strtok(NULL,sep))
        {
          i++;
        }
     
        //3.5检测命令是否是需要shell本身执行的,内建命令
        if(strcmp(argv[0],"cd")==0)
        {
          if(argv[1]!=NULL) chdir(argv[1]);
          continue;
        }
     
        //4.执行第三方命令
        if(fork()==0)//child
        {
          execvp(argv[0],argv);
          exit(1);
        }
        //parent
        waitpid(-1,NULL,0);
      }
    }
    
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    以上就是我分享的进程控制,感谢阅读!

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