文章目录

• 进程创建
• 进程终止
• 进程等待
• 进程替换
• 实现简单的mini-shell

一、进程创建

1.fork()函数

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：自进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

fork()调用时，OS的内核操作

• 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以后，父子进程代码是共享的，而数据是发生了写时拷贝。

测试代码：

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

int g_val=100;

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0){
        //子进程
        int cnt=0;
        while(1){
            printf("I am child,pid:%d,ppid:%d,g_val:%d,&g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
            cnt++;

            sleep(1);
            if(cnt==5){
                g_val=200;
                printf("child change g_val 100->200 sucess\n");
            }
        }
    }
    else //父进程
    {
        while(1){
            printf("I am father,pid:%d,ppid:%d,g_val,&g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

 从上图我们发现，当cnt==5时，父子进程间g_val的值不一样但是他们地址一样。

 2.如何理解fork返回值

• 子进程返回0，
• 父进程返回的是子进程的pid

 fork函数是一个系统调用函数，是由OS来进行调用，当发生fork时，在执行return语句时，子进程已经被创建成功了，此时父子进程都会执行return语句。

1.为什么子进程返回0，父进程返回子进程的pid？

首先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，对于父进程来说，父进程是不需要被标识的；而对于子进程来说，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相应的任务，父进程只有知道子进程的PID才能对该进程进行任务指派。

2.如何理解fork有两个返回值

 父进程调用fork以后，为了创建子进程，fork函数内部会进行一系列操作，包括创建子进程的PCB结构，对子进程的mm_struct进行赋值，页表进行映射等，当子进程创建完毕后，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，此时子进程创建完毕。所以说在fork函数内部执行return语句之前子进程已经创建完毕。

3.如何理解if-else语句都被执行

首先呢，上述代码发生了写时拷贝，由于fork之后，父子间代码是共享的。父子进程是共同执行，而父子进程中的代码又是同一块物理空间中的代码，但是由于id值不相同，所以父子间会进入不同的条件判断中去。

3.深入理解写时拷贝

当子进程被创建时，父子进程间代码是具有共享性的，即它和父进程共用同一块物理内存空间，而当父进程或者子进程中需要修改某些数据时，才会将父进程中的数据拷贝一份，然后进行相关修改操作。这种需要进行数据修改时进行拷贝的技术就叫做写时拷贝技术。

1.为什么数据要进行写时拷贝？

由于进程具有一定的独立性。父子间进程不能相互影响。

2.为什么不在创建子进程就进行数据的拷贝？

子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝，我们应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配(延时分配)，这样可以高效的使用内存空间。

3.为什么这里的代码不会进行写拷贝？

90%的情况下是不会的，但这并不代表代码不能进行写时拷贝，例如在进行进程替换的时候，则需要进行代码的写时拷贝。

4.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

5.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

1.进程退出的三种场景：

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果不正确
• 代码异常终止

2.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

查看Linux下进程所有退出码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    for(int i=0;i<150;i++)
        printf("错误码序号%d,错误信息:%s\n",i,strerror(i));
    return 0;
}

注意： 我们可以发现Linux下一共有134个进程退出吗，而且每个退出码都有相应的错误信息。

同时我们可以利用echo $?指令来查看相应的进程退出码

3.exit和_exit的区别

_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

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

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int Add(int n)
{
    int sum=0;
    for(int i=1;i<=n;i++) sum+=i;
    return sum;
}

int main()
{
    int ret=Add(100);
    if(ret==5050) return 0;
    else return 1;
    
    return 0;
}

 上面程序是从1到100相加，如果结果是5050，则可以证明如果结果是正确的，那么返回0，不正确则返回1.注意：只有main函数中的return值才能作为进程的退出码，其他自己实现的函数中的return值不能作为进程退出码。如果我们想要在自己写的函数中退出并且还要有相应的进程退出码，那么就是调用exit或者是_exit函数。那么区别在哪里呢？接下来我将会详细分析。

代码1：

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

int Add(int n)
{
    int sum=0;
    for(int i=1;i<n;i++) sum+=i;

    if(sum==5050) exit(1);
    else exit(2);
    return sum;
}

int main()
{
    int res=Add(100);
    printf("%d",res);
    return 0;
}

代码2：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int Add(int n)
{
    int sum=0;
    for(int i=1;i<n;i++) sum+=i;

    if(sum==5050) exit(1);
    else _exit(2);
    return sum;
}

int main()
{
    int res=Add(100);
    printf("%d",res);
    return 0;
}

两个代码最后的结果相同截图：

我们可以发现代码1和代码2基本上都是相同的，最后进程退出码都是一样的，那么exit和_exit的区别是什么？

测试exit代码：

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

int main()
{
    printf("hello world");
    sleep(1);
    exit(0);
}

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

int main()
{
    printf("hello world");
    sleep(1);
    _exit(0);
}

从上述两个比较中我们可以发现：

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

区别：_exit是系统调用接口函数，而exit是C语言库函数，，由于使用了_exit函数缓存区还没有来得及刷新出去进程就终止了。而exit函数需要将缓存区中数据刷新等操作，然后再调用系统调用函数_exit。

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。

4.进程异常退出

• 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。

三、进程等待

1.进程等待必要性

• 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，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。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。

2.进程等待的方法

通过是用man 2 wait来查看关于wait和waitpid函数的文档：

（如果是在vim在需要加上!）

1.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。

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

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0){
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, 我是子进程, pid: %d, ppid : %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
 
        }
        //直接终止了子进程
        exit(0);
    }
    else{
        //父进程
        printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(7);
        pid_t ret=wait(NULL);//阻塞式地等待
        if(ret > 0)
        {
            printf("等待子进程成功, ret: %d",ret);
            sleep(1);
        }
        printf("father is running...");
    }
    return 0;
}

循环监控进程方式：

while :; do ps ajx | head -1 &&ps ajx| grep myproc|grep -v grep; sleep 1;echo "-------------------------"; done

由上图我们可以发现子进程跑5秒，父进程跑7秒，大概有两秒钟的时间内，子进程处于僵尸状态。由于父进程一直在等待子进程结束然后回收子进程，在这等待的期间，父进程一直处于等待的状态，什么任务都不做，该过程称为阻塞等待。

2.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。（默认是0，表示阻塞等待）

• 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。
• 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。
• 如果不存在该子进程，则立即出错返回。

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

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0){
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, 我是子进程, pid: %d, ppid : %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
 
        }
        //直接终止了子进程
        exit(1);
    }
    else{
        //父进程
        printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(7);
        int status=0;
        pid_t ret=waitpid(id,&status,0);//阻塞等待
        if(ret > 0)
        {
            printf("等待子进程成功, ret: %d\n",ret);
            printf("status:%d\n",status);
            sleep(1);
        }
        printf("father is running...");
    }
    return 0;
}

根据上图 ，我们可以发现一个现象，status表示的不是退出码，那status到底是什么？

通过分析status了解到是用来保存进程退出时的状态。

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，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

 验证status代码：

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

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0){
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("cnt: %d, 我是子进程, pid: %d, ppid : %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
            cnt--;
 
        }
        //直接终止了子进程
        exit(100);
    }
    else{
        //父进程
        printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(7);
        int status=0;
        pid_t ret=waitpid(id,&status,0);//阻塞等待
        if(ret > 0)
        {
            printf("等待子进程成功, ret: %d\n",ret);
            printf("status:%d\n",(status>>8)&0xff);
            sleep(1);
        }
        printf("father is running...");
    }
    return 0;
}

 此时我们发现获取到了子进程的退出码。那么信号呢？

查看所有信号的方式:kill -l

注意： 这里也可以使用其他信号来终止该进程。如果一个进程异常退出的话，那么该进程的退出码没有任何意义！

3.阻塞等待与非阻塞等待

• 阻塞等待： 顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回。
• 非阻塞等待：就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相同，若事件没有发生则持续返回一个值来告知事件未发生，进程或线程继续执行，直到事件发生才为最后一次返回。

进一步来说：阻塞等待就是父进程一直等子进程，父进程不做任何事情。而非阻塞等待就是父进程在等待的同时也在做自己的事，在子进程退出后再去读取子进程的退出信息。

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

int main()
{
    pid_t 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;
}

 由图可知：父进程一直等待着子进程退出，什么事情都不做。

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

int main()
{
    pid_t 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;
}

 由图可知：子进程在做自己的事情时，父进程并不是刻意的去等待，而是父进程也在做自己的事情，它们之间只是互不影响，每个1s的时间进行检测。当子进程运行退出时，父进程获取到子进程的退出信息。这种检测方案叫做非阻塞接口的轮询检测方案！

四、进程替换

1.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。

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。

2.替换函数

 1.execl/execv

execl需要将参数一个一个传入，而execv传入数组就行。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>

#define NUM 16

using namespace std;

int main()
{
        pid_t id;
        id=fork();
        if(id==0)
        {
            //子进程
            printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
            sleep(3);
            char *const _argv[NUM]={
                    (char*)"ls",
                    (char*)"-a",
                    NULL
            };
 
            execl("/user/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);
            //execv("/user/bin/ls",_argv);
            exit(1);
        }
        else
        {
 
            //父进程
            printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
            int status=0;
            pid_t id= waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待
            if(id>0)
            {
                //打印退出码
                printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
            }
        }
    return 0;
}

 2.execlp

如果想要执行一个程序，必须先找到程序！带路径，不带路径能找到程序吗？？

答案是使用PATH，所以我们上面的execlp中的p就是说明这个函数会自己在环境变量PATH中进行查找，你不用告诉我命令在哪里。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>

#define NUM 16

using namespace std;

int main()
{
        pid_t id;
        id=fork();
        if(id==0)
        {
            //子进程
            printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
            sleep(3);
            char *const _argv[NUM]={
                    (char*)"ls",
                    (char*)"-a",
                    NULL
            };
 
            execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);
            //execv("/user/bin/ls",_argv);
            exit(1);
        }
        else
        {
 
            //父进程
            printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
            int status=0;
            pid_t id= waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待
            if(id>0)
            {
                //打印退出码
                printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
            }
        }
    return 0;
}

 3.execle