深入理解Linux中进程控制（精讲）

　　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。例如：
　　运行结果如下：
　　这里可以看到，Before只输出了一次，而After输出了两次。其中，Before是由父进程打印的，而调用fork函数之后打印的两个After，则分别由父进程和子进程两个进程执行。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。
　　也就是说，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。写时拷贝
　　当子进程刚刚被创建时，子进程和父进程的数据和代码是共享的，即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时，才将父进程的数据在内存当中拷贝一份，然后再进行修改。
　　这种在需要进行数据修改时再进行拷贝的技术，称为写时拷贝技术。
　　1、为什么数据要进行写时拷贝？
　　进程具有独立性。多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程。
　　2、为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？
　　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、代码会不会进行写时拷贝？
　　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。
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　　fork常规用法一个进程希望复制自己，使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
　　fork函数创建子进程也可能会失败，有以下两种情况：系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。实际用户的进程数超过了限制，子进程创建失败。二、进程终止进程退出场景
　　进程退出只有三种情况： 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。
　　当我们的代码运行起来就变成了进程，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 $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息。
　　例如，对于下面这个简单的代码：
　　代码运行结束后，我们可以查看该进程的进程退出码。 [cl@VM-0-15-centos procTermination]$ echo $?
　　这时便可以确定main函数是顺利执行完毕了。
　　为什么以0表示代码执行成功，以非0表示代码执行错误？
　　因为代码执行成功只有一种情况，成功了就是成功了，而代码执行错误却有多种原因，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：
　　运行代码后我们就可以看到各个错误码所对应的错误信息：
　　实际上Linux中的ls、pwd等命令都是可执行程序，使用这些命令后我们也可以查看其对应的退出码。
　　可以看到，这些命令成功执行后，其退出码也是0。
　　但是命令执行错误后，其退出码就是非0的数字，该数字具体代表某一错误信息。
　　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，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return退出
　　在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。
　　例如，在main函数最后使用return退出进程。
　　运行结果：
　　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，以下代码中exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。
　　运行结果：
　　_exit函数
　　使用_exit函数退出进程的方法我们并不经常使用，_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。
　　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。
　　运行结果：
　　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
　　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。
　　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
　　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。获取子进程status
　　下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。
　　如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。
　　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，具体细节如下（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。
　　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
　　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
　　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，那么该进程的退出码也就没有意义了。 进程等待的方法wait方法
　　函数原型：pid_t wait(int* status);
　　作用：等待任意子进程。
　　返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。
　　参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
　　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  #include  #include  #include  #include  int main() { 	pid_t id = fork(); 	if(id == 0){ 		//child 		int count = 10; 		while(count--){ 			printf(＂I am child...PID:%d, PPID:%d ＂, getpid(), getppid()); 			sleep(1); 		} 		exit(0); 	} 	//father 	int status = 0; 	pid_t ret = wait(&status); 	if(ret > 0){ 		//wait success 		printf(＂wait child success... ＂); 		if(WIFEXITED(status)){ 			//exit normal 			printf(＂exit code:%d ＂, WEXITSTATUS(status)); 		} 	} 	sleep(3); 	return 0; }
　　我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：[cl@VM-0-15-centos procWait]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo ＂######################＂;sleep 1;done
　　这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。
　　waitpid方法
　　函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);
　　作用：等待指定子进程或任意子进程。
　　返回值：
　　1、等待成功返回被等待进程的pid。
　　2、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。
　　3、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：
　　1、pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。
　　2、status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
　　3、options：当设置为WNOHANG时，若等待的子进程没有结束，则waitpid函数直接返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的pid。
　　例如，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。#include  #include  #include  #include  #include  int main() { 	pid_t id = fork(); 	if (id == 0){ 		//child           		int count = 10; 		while (count--){ 			printf(＂I am child...PID:%d, PPID:%d ＂, getpid(), getppid()); 			sleep(1); 		} 		exit(0); 	} 	//father            	int status = 0; 	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); 	if (ret >= 0){ 		//wait success                     		printf(＂wait child success... ＂); 		if (WIFEXITED(status)){ 			//exit normal                                  			printf(＂exit code:%d ＂, WEXITSTATUS(status)); 		} 		else{ 			//signal killed                               			printf(＂killed by siganl %d ＂, status & 0x7F); 		} 	} 	sleep(3); 	return 0; }
　　在父进程运行过程中，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。
　　注意：  被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。 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  #include  #include  #include  #include  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 ＂, 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 ＂, ids[i]); 			if (WIFEXITED(status)){ 				//exit normal 				printf(＂exit code:%d ＂, WEXITSTATUS(status)); 			} 			else{ 				//signal killed 				printf(＂killed by signal %d ＂, status & 0x7F); 			} 		} 	} 	return 0; }
　　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。
　　基于非阻塞接口的轮询检测方案
　　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，这种等待叫做阻塞等待。
　　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。#include  #include  #include  #include  #include  int main() { 	pid_t id = fork(); 	if (id == 0){ 		//child 		int count = 3; 		while (count--){ 			printf(＂child do something...PID:%d, PPID:%d ＂, getpid(), getppid()); 			sleep(3); 		} 		exit(0); 	} 	//father 	while (1){ 		int status = 0; 		pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG); 		if (ret > 0){ 			printf(＂wait child success... ＂); 			printf(＂exit code:%d ＂, WEXITSTATUS(status)); 			break; 		} 		else if (ret == 0){ 			printf(＂father do other things... ＂); 			sleep(1); 		} 		else{ 			printf(＂waitpid error... ＂); 			break; 		} 	} 	return 0; }
　　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，并从新程序的启动例程开始执行。
　　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。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);
　　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);
　　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);
　　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);
　　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);
　　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);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。
　　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。
　　下图为exec系列函数族之间的关系：
　　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。
　　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  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #define LEN 1024 //命令最大长度 #define NUM 32 //命令拆分后的最大个数 int main() { 	char cmd[LEN]; //存储命令 	char* myargv[NUM]; //存储命令拆分后的结果 	char hostname[32]; //主机名 	char pwd[128]; //当前目录 	while (1){ 		//获取命令提示信息 		struct passwd* pass = getpwuid(getuid()); 		gethostname(hostname, sizeof(hostname)-1); 		getcwd(pwd, sizeof(pwd)-1); 		int len = strlen(pwd); 		char* p = pwd + len - 1; 		while (*p != ＂/＂){ 			p--; 		} 		p++; 		//打印命令提示信息 		printf(＂[%s@%s %s]$ ＂, pass->pw_name, hostname, p); 		//读取命令 		fgets(cmd, LEN, stdin); 		cmd[strlen(cmd) - 1] = ＂＂; 		//拆分命令 		myargv[0] = strtok(cmd, ＂ ＂); 		int i = 1; 		while (myargv[i] = strtok(NULL, ＂ ＂)){ 			i++; 		} 		pid_t id = fork(); //创建子进程执行命令 		if (id == 0){ 			//child 			execvp(myargv[0], myargv); //child进行程序替换 			exit(1); //替换失败的退出码设置为1 		} 		//shell 		int status = 0; 		pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); //shell等待child退出 		if (ret > 0){ 			printf(＂exit code:%d ＂, WEXITSTATUS(status)); //打印child的退出码 		} 	} 	return 0; }
　　效果展示：
　　说明：
　　当执行 ./myshell  命令后，便是我们自己实现的shell在进行命令行解释，我们自己实现的shell在子进程退出后都打印了子进程的退出码，我们可以根据这一点来区分我们当前使用的是Linux操作系统的shell还是我们自己实现的shell。