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。
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：

• 分配新的内存块与内存数据给子进程；
• 将父进程的部分数据内容拷贝进子进程；
• 添加子进程到系统列表当中；
• 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：


我们会发现，fork之前，父进程是单独执行的，fork以后父进程和子进程就分流进行执行了，但是要注意的是父子代码共享是fork以后共享，并不是程序所有的都共享，而且fork以后谁先执行是由调度器决定的。

fork函数返回值

那么为什么要给父进程返回子进程PID呢？

一个子进程只能拥有一个父进程，但是一个父进程可以拥有多个子进程，父进程创建子进程是为了给子进程指派任务，返回子进程的PID就可以很好的对诸多子进程进行管理。

为什么fork以后就会有两个返回值呢？

父进程在调用fork函数以后，fork函数就会进行一系列操作，创建子进程PCB，创建子进程虚拟地址空间，创建页表…，也就是说，在return之前，子进程就已经创建完成了，return就需要父进程子进程都执行，而return的本质就是对id的写入，父进程返回一个id，子进程返回一个id，对于父子进程返回的id程序都需要进行执行，所以此时就会有两个返回值。

写时拷贝

父进程创建子进程，并不会对所有代码和数据都进行拷贝，因为有些东西子进程只需要进行读取，并不需要修改，与父进程共享即可，我们只有在需要修改的时候，对数据进行拷贝即可，这种延时拷贝策略，极大的提升了效率。

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。

进程终止

进程退出场景：

• 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。

进程退出码

我们平时写代码过程中，一直是return 0，这是为什么呢？main函数也是个函数，系统要调用他，就需要有返回值，而return 0就表示代码执行成功，结果正确，我们一般用非0表示结果不正确，原因在于成功了就成功了，只有一种可能，但是失败确有多种原因。

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：


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：


实际上我们Linux中各种指令也是可执行程序，我们也可以看见相应的退出码：

进程常见退出方法

正常退出

1. return退出
   在main函数中使用return终止是我们最常见的方式。
   

1. 调用exit
   （1）执行用户通过 at；
   （2） 关闭所有打开的；
   （3） 调用_exit；
   我们要注意，return只能在main函数中退出，在其他位置都是返回值，而exit可以再任意位置退出，包括调用的函数内部。

3. 调用_exit

我们会发现exit与_exit的区别就是_exit会直接终止进程，不做任何后续处理，而exit会刷新缓冲区。

我们需要知道的是，保存数据的缓冲器并不是操作系统再给我们维护，因为_exit之后，并没有刷新缓冲区，而是C标准库给我们维护的。
异常退出

ctrl + c，信号终止

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。

进程等待

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。
• 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。
• 父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。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。

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）

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。进程若是被信号所杀，则低7位表示终止信号，而第8位比特位是core dump标志。

进程退出码：(status >> 8) & 0xFF
进程退出信号：status & 0x7F

进程等待的方法

1. wait方法

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

此时程序处于僵尸状态，父进程并没有对子进程进行回收，当我们使用wait以后：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<stdlib.h>
  4 #include<sys/wait.h>
  5 #include<sys/types.h>
  6 
  7 int main()
  8 {
  9     pid_t id = fork();
 10     if(id == -1)
 11     {
 12         perror("fork()");
 13         return 1;
 14     }
 15     else if(id == 0)
 16     {
 17         int cnt = 5;
 18         while(cnt)
 19         {
 20             printf("I am chlid: cnt:%d, pid:%d, ppid:%d\n", cnt, getpid(), getppid());
 21             sleep(1);
 22             cnt--;
 23         }
 24         exit(1);
 25     }
 26     else
 27     {
 28         pid_t ret = wait(NULL);                                                                          
 29         if(ret > 0)
 30         {
 31             printf("wait child sucess: ret:%d\n", ret);
 32         }
 33         while(1)
 34         {
 35             printf("I am father: pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
 36             sleep(1);
 37         }
 38     }
 39     return 0;
 40 }

父进程一直在等待当子进程运行完成，子进程运行以后，父进程对子进程进行了回收，此时程序中就只剩下父进程，子进程已经成功被回收了。

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。

创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<sys/wait.h>
  4 #include<stdlib.h>
  5 int main()
  6 {
  7     pid_t id = fork();
  8     if(id < 0)
  9     {
 10         perror("fork()");
 11     }
 12     else if(id == 0)
 13     {
 14         int cnt = 5;
 15         while(cnt)
 16         {
 17             printf("I am child: pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
 18             sleep(1);
 19             cnt--;
 20         }
 21         exit(1);
 22     }
 23     else
 24     {
 25         int status = 0;
 26         pid_t result = waitpid(id, &status, 0);
 27         if(result > 0)
 28         {
 29             printf("wait child sucess: result:%d\n", result);                                        
 30             if(WIFEXITED(status))
 31             {
 32                 printf("子进程退出码：%d\n",WEXITSTATUS(status));
 33             }
 34             else
 35             {
 36                 printf("子进程收到的退出信号：%d\n", status & 0x7F);
 37             }
 38         }
 39     }
 40     return 0;
 41 }

当子进程正常退出时，父进程等待子进程成功：

我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功，但是子进程属于异常退出。

注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

阻塞等待与非阻塞等待

阻塞等待

上述例子中，我们可以发现，当子进程未退出时，父进程一直就在等待子进程，其他什么事都没有做，此时进程父进程就会进入阻塞状态，当子进程运行完毕，父进程立马被唤醒，接收子进程pid，此时状态就叫做阻塞状态。

非阻塞等待

父进程调用waitpid函数来进行等待，如果子进程没有退出，waitpid这个系统调用立马返回，父进程可以干其他事情，而且父进程会不间断的调用waitpid函数来获取子进程的运行情况，一旦子进程运行结束，父进程就立马接收到，这就叫做非阻塞等待。

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。下面以一段伪代码展示一下：

  1 #include<iostream>
  2 #include<vector>
  3 #include<stdio.h>
  4 #include<unistd.h>
  5 #include<sys/wait.h>
  6 #include<stdlib.h>
  7 
  8 typedef void (*hander_t)();
  9 std::vector<hander_t> handers;
 10 void fun_one()
 11 {
 12     printf("这是一个临时任务1\n");
 13 }
 14 void fun_two()
 15 {
 16     printf("这是一个临时任务2\n");
 17 }
 18 void Load()
 19 {
 20     handers.push_back(fun_one);
 21     handers.push_back(fun_two);
 22 }
 23 int main()
 24 {
 25     pid_t id = fork();
 26     if(id == 0)
 27     {
 28         int cnt = 5;
 29         while(cnt)
 30         {
 31             printf("I am child: %d\n", cnt);
 32             sleep(1);
 33             cnt--;
 34         }
 35         exit(1);
 36     }
 37     else
 38     {
 39         int quit = 0;
 40         while(!quit)
 41         {
 42             int status = 0;
 43             pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
 44             if(ret > 0)
 45             {
 46                 printf("wait child sucess: exit code:%d\n", WIFEXITED(status));
 47                 break;
 48             }                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
 49             else if(ret == 0)
 50             {
 51                 printf("The child process is still running, the parent processcan handle other things!!\n");
 52                 if(handers.empty())
 53                 {
 54                     Load();
 55                 }
 56                 for(auto e : handers)
 57                 {
 58                     e();
 59                 }
 60             }
 61             else
 62             {
 63                 printf("wait failed\n");
 64                 break;
 65             }
 66             sleep(1);
 67         }
 68     }
 69 }

此刻在运行程序我们可以发现，在等待期间，父进程也可以处理其他事情：

进程替换

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。

当程序替换之后，有没有创建新的进程？

程序替换只是将物理内存空间的代码以及数据进行了替换，程序的PCB，虚拟地址空间以及页表并没发生改变，只是改变当前页表的映射关系，所以并没有创建新进程。

子进程进行替换后，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，此时子进程需要被替换，就需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，父子进程的代码和数据就发生了分离，所以对子进程替换是不会影响父进程的代码和数据的。

替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数：

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

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

调用execl函数以后，当前进程的所有数据和代码都会被进行替换，包括已经执行的和未执行的，上述程序中printf已经被执行完毕，打印出来了，所以会显示出来，本质上其实他已经被替换了。

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

第一个参数表示可执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，存放的是你要如何执行这个可执行程序，数组以NULL结尾。

3. 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。

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

第一个参数表示可执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，存放的是你要如何执行这个可执行程序，数组以NULL结尾。

5. 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。

6. 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。

下面我们可以看见子进程进行替换是的状态：

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。

命名理解

• l(list) : 表示参数采用列表 ;
• v(vector) : 参数用数组 ;
• p(path) : 有p自动搜索环境变量 PATH;
• e(env) 表示自己维护环境变量;

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变量
execl	列表	不是	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	不是	不是，必须自己组装环境变量
execv	数组	不是	是
execvp	数组	是	不是，必须自己组装环境变量
execve	数组	不是	是

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示：

做一个简易的shell

shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结
束，然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序 并等待这个进程结束。
所以要写一个shell，需要循环以下过程：

1. 获取命令行
2. 解析命令行
3. 建立一个子进程（fork）
4. 替换子进程（execvp）
5. 父进程等待子进程退出（wait）

    1 #include<stdio.h>
    2 #include<stdlib.h>
    3 #include<string.h>
    4 #include<unistd.h>
    5 #include<sys/wait.h>
    6 
    7 #define NUM 1024
    8 #define SIZE 32
    9 #define SEP " "
   10 //保存完整的字符
   11 char cmd_line[NUM];
   12 //保存打散之后的字符串
   13 char* g_argv[SIZE];
   14 
   15  int main()
   16 {
   17     while(1)
   18     {
   19         //1.打印出提示信息："[root@localhost myshell]# "
   20         printf("[root@localhost myshell]# ");
   21         fflush(stdout);
   22         memset(cmd_line, '\0', sizeof cmd_line);
   23         //2.获取用户输入的各种键盘指令："ls -a -l -i"
   24         if(fgets(cmd_line, sizeof cmd_line, stdin) == NULL)
   25         {
   26             continue;
   27         }
   28         cmd_line[strlen(cmd_line) - 1] = '\0';
   29         //3.命令行字符串解析："la -a -l -i" -> "ls" "-a" "-l" "-i"
   30         g_argv[0] = strtok(cmd_line, SEP);
   31         int index = 1;
   32         if(strcmp(g_argv[0], "ls") == 0)
   33         {
W> 34             g_argv[index++] = "--color=auto";
   35         }
   36         if(strcmp(g_argv[0], "ll") == 0)
   37         {
W> 38             g_argv[0] = "ls";
W> 39             g_argv[index++] = "-l";
W> 40             g_argv[index++] = "--color=auto";
   41         }
W> 42         while(g_argv[index++] = strtok(NULL, SEP));//第二次解析原始字符串，出入NULL
   43         //4.让父进程自己执行命令
   44         if(strcmp(g_argv[0], "cd") == 0)\
   45         {
   46             if(g_argv[1] != NULL)
   47             {
   48                 chdir(g_argv[1]);
   49             }
   50             continue;
   51         }
   52         //5. fork()
   53         pid_t id = fork();
   54         if(id < 0)
   55         {
   56             perror("fork()");
   57             return 1;
   58         }
   59         else if(id == 0)
   60         {
   61             printf("下面程序是由子进程运行的\n");
   62             execvp(g_argv[0], g_argv);
   63             exit(1);
   64         }                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     
   65         else
   66         {
   67             int status = 0;
   68             pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);
   69             if(ret > 0)
   70             {
   71                 printf("wait sucesss: exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
   72             }
   73         }
   74 
   75     }
   76     return 0;
   77 }

结果演示：