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🔥 系列专栏：Linux

一：🔥 进程创建

🥝 fork函数初识

🐲 在 linux 中 fork 函数时非常重要的函数，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。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-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
  
  🦁 当一个进程调用 fork 之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序：

int main(void)
{
	pid_t pid;
	printf("Before: pid is %d\n", getpid());
	if ((pid = fork()) == -1)perror("fork()"), exit(1);
	printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
	sleep(1);
	return 0;
}

运行结果：
[root@localhost linux]# . / a.out
Before : pid is 43676
After : pid is 43676, fork return 43677
After : pid is 43677, fork return 0

💦 这里看到了三行输出，一行 before，两行 after。进程 43676 先打印 before 消息，然后它有打印 after。另一个 after。消息由 43677 打印的。注意到进程 43677 没有打印 before，为什么呢？如下图所示:

• 所以，fork 之前父进程独立执行，fork 之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork 之后，谁先执行完全由调度器决定。

🥝 写时拷贝

🦁 通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以 写时拷贝 的方式各自一份副本。具体见下图：

🥝 fork常规用法

• 💦 一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
• 💦 一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。

🥝 fork调用失败的原因

• 系统中有太多的进程。
• 实际用户的进程数超过了限制。

二：🔥 进程终止

🥝 进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

1. 从 main 返回
2. 调用 exit
3. _exit

💢 异常退出：

• ctrl + c，信号终止

🥝 _exit 函数和 exit 函数

_exit 函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

🦁 说明：虽然 status 是 int，但是仅有 低8位 可以被父进程所用。所以 _exit(-1) 时，在终端执行发现返回值是 255。

exit函数

#include <unistd.h>
void exit(int status);

🍊 exit 最后也会调用 exit, 但在调用 exit 之前，还做了其他工作：

1. 执行用户通过 atexit 或 on_exit 定义的清理函数。
2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入。
3. 调用 _exit。

实例：

int main()
{
	printf("hello");
	exit(0);
}

运行结果(冲刷缓冲区):
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#


int main()
{
	printf("hello");
	_exit(0);
}

运行结果（直接退出）:
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#

🥝 return退出

💦 return 是一种更常见的退出进程方法。执行 return n 等同于执行 exit(n), 因为调用 main 的运行时函数会将main 的返回值当做 exit 的参数。

三：🔥 进程等待

🥝 进程等待必要性

• 之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成 僵尸进程 的问题，进而造成内存泄漏。
• 另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的 kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
• 最后，我们需要知道父进程派给子进程的任务完成的如何。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。
• 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息。

🥝 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

📚 waitpid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。

🦁 waitpid() 函数的作用是：等待指定的一个子进程或者任意一个进程。（这个可以有options参数控制）

• status：输出型参数，获取子进程的退出信息，如果不需要进程退出的退出信息，可设置为NULL。
• options：当 options 设置为0的时候，叫做阻塞等待。当 options 设置为 WNOWAIT 的时候，叫做非阻塞等待。（后面会有阻塞等待和非阻塞等待的例子）
  

🥝 获取子进程status

📚 从status中获取退出码和退出信号

• 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，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

🦁 有两种方法我们可以获取 status 中的退出信息。

方法一：位运算

既然我们已经知道了status中的比特位组成部分，我们就可以通过位运算的操作直接获取退出信息。

int exit_code = (status >> 8) & 0xff;    // 获取退出码
int exit_signal = status & 0x7f;        // 获取退出信号

方法二：使用宏

在系统中，提供了两个宏来获取提出码和退出信号。

WIFEXITED(status);          // 用于查看进程是否正常退出，其实就是查看是否有退出信号
WEXITSTATUS(status);        // 用于获取进程的退出码

再次提醒：如果一个进程被信号杀死，则退出码没有意义。

• 下面分别对阻塞等待和非阻塞等待举出一个例子：

🐮 在子进程运行的时候，父进程在干什么呢？如果父进程就在那里等待子进程完成任务，接收子进程的退出信息的话，这种方式就是阻塞等待。就好像父进程被阻塞住不能前进一样。。如果父进程在子进程运行的时候，自己可以感自己的事情，这种方式就叫做非阻塞等待。

所以想要判断是否为阻塞或者非阻塞等待，就只要判断父进程在子进程运行的时候，可不可以自己运行自己的代码即可。

四：🔥 进程程序替换

🥝 「替换原理」

• 🦁 用 fork 创建子进程后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),子进程往往要调用一种 exec 函数以执行另一个程序。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。

🐮 要注意两个问题：

1. 当进程被另一个进程替换时，并没有创建一个新的进程 而只是在原来的进程的基础上，在进程的物理内存中代码和数据被另一个进程的代码和数据段所替换而已。其余的数据结构类似 PCB，mm_struct，页表 等等结构并没有改变。

2. 在子进程进行程序替换之后，父进程中的代码段和数据段并没有受到任何的影响。 这是因为当子进程在进行进程替换时，需要对进程的数据和代码段进程修改，这时进程会发生写时拷贝，而在写时拷贝之后，父子进程的代码和数据独立了，所以相互之间的数据和代码不会受到影响。

🥝 「替换函数」

进程替换函数是 exec 系列函数，而这一系列的函数一共有7个函数。

#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[]);
int execve(const char* path, char* const argv[], char* const envp[]);
int execvpe(const char* file, char* const argv[], char* const envp[]);

• 其中 l 和 v 的区别在于程序运行参数的赋予方式不同，l 是通过函数参数逐个给与，最终以NULL结尾，而 v 是通过字符指针数组一次性给与。
• 其中有没有 p 的区别在于程序是否需要带路径，也就是是否会默认到 path 环境变量指定的路径下寻找程序，没有 p 的需要指定路径，有p的会默认到 path 环境变量指定路径下寻找。
• 其中有没有 e 的区别在于程序是否需要自定义环境变量，没有 e 则默认使用父进程环境变量，有e则自定义环境变量。

🐮 exec 调用举例如下:

#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、p的，需要自己组装环境变量，无需写全路径
	execvpe("ps", argv, envp);
	
	// 带e的，需要自己组装环境变量
	execve("/bin/ps", argv, envp);
	
	exit(0);
}

🦁 事实上：其实 execve 才是真正的系统调用，其他的几个函数只不过对于 execve 进行了封装。以满足不同的调用需求。

🥝 「函数解释」

• 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。

五：🔥 共勉

以上就是我对 【Linux】进程控制 的理解，觉得这篇博客对你有帮助的，可以点赞收藏关注支持一波~😉