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。〔clVM015centosprocTermination〕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onexit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returnnum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kill9信号使得进程异常退出，或是使用CtrlC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kill9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coredump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（status8）0xFF；退出码exitSignalstatus0x7F；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。exitNormalWIFEXITED（status）；是否正常退出exitCodeWEXITSTATUS（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：pidtwait（intstatus）；
　　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。includestdio。hincludestdlib。hincludeunistd。hincludesyswait。hincludesystypes。hintmain（）｛pidtidfork（）；if（id0）｛childintcount10；while（count）｛printf（Iamchild。。。PID：d，PPID：d，getpid（），getppid（））；sleep（1）；｝exit（0）；｝fatherintstatus0；pidtretwait（status）；if（ret0）｛waitsuccessprintf（waitchildsuccess。。。）；if（WIFEXITED（status））｛exitnormalprintf（exitcode：d，WEXITSTATUS（status））；｝｝sleep（3）；return0；｝
　　我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：〔clVM015centosprocWait〕while：；dopsaxjhead1psaxjgrepprocgrepvgrep；echo；sleep1；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：pidtwaitpid（pidtpid，intstatus，intoptions）；
　　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。includestdio。hincludestdlib。hincludeunistd。hincludesyswait。hincludesystypes。hintmain（）｛pidtidfork（）；if（id0）｛childintcount10；while（count）｛printf（Iamchild。。。PID：d，PPID：d，getpid（），getppid（））；sleep（1）；｝exit（0）；｝fatherintstatus0；pidtretwaitpid（id，status，0）；if（ret0）｛waitsuccessprintf（waitchildsuccess。。。）；if（WIFEXITED（status））｛exitnormalprintf（exitcode：d，WEXITSTATUS（status））；｝else｛signalkilledprintf（killedbysiganld，status0x7F）；｝｝sleep（3）；return0；｝
　　在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill9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。includestdio。hincludestdlib。hincludeunistd。hincludesystypes。hincludesyswait。hintmain（）｛pidtids〔10〕；for（inti0；i10；i）｛pidtidfork（）；if（id0）｛childprintf（childprocesscreatedsuccessfully。。。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｝fatherids〔i〕id；｝for（inti0；i10；i）｛intstatus0；pidtretwaitpid（ids〔i〕，status，0）；if（ret0）｛waitchildsuccessprintf（wiatchildsuccess。。PID：d，ids〔i〕）；if（WIFEXITED（status））｛exitnormalprintf（exitcode：d，WEXITSTATUS（status））；｝else｛signalkilledprintf（killedbysignald，status0x7F）；｝｝｝return0；｝
　　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。includestdio。hincludestdlib。hincludeunistd。hincludesystypes。hincludesyswait。hintmain（）｛pidtidfork（）；if（id0）｛childintcount3；while（count）｛printf（childdosomething。。。PID：d，PPID：d，getpid（），getppid（））；sleep（3）；｝exit（0）；｝fatherwhile（1）｛intstatus0；pidtretwaitpid（id，status，WNOHANG）；if（ret0）｛printf（waitchildsuccess。。。）；printf（exitcode：d，WEXITSTATUS（status））；break；｝elseif（ret0）｛printf（fatherdootherthings。。。）；sleep（1）；｝else｛printf（waitpiderror。。。）；break；｝｝return0；｝
　　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、intexecl（constcharpath，constchararg，。。。）；
　　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（usrbinls，ls，a，i，l，NULL）；
　　二、intexeclp（constcharfile，constchararg，。。。）；
　　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、intexecle（constcharpath，constchararg，。。。，charconstenvp〔〕）；
　　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。charmyenvp〔〕｛MYVAL2021，NULL｝；execle（。mycmd，mycmd，NULL，myenvp）；
　　四、intexecv（constcharpath，charconstargv〔〕）；
　　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。charmyargv〔〕｛ls，a，i，l，NULL｝；execv（usrbinls，myargv）；
　　五、intexecvp（constcharfile，charconstargv〔〕）；
　　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。charmyargv〔〕｛ls，a，i，l，NULL｝；execvp（ls，myargv）；
　　六、intexecve（constcharpath，charconstargv〔〕，charconstenvp〔〕）；
　　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。charmyargv〔〕｛mycmd，NULL｝；charmyenvp〔〕｛MYVAL2021，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：includestdio。hincludepwd。hincludestring。hincludeunistd。hincludestdlib。hincludesystypes。hincludesyswait。hdefineLEN1024命令最大长度defineNUM32命令拆分后的最大个数intmain（）｛charcmd〔LEN〕；存储命令charmyargv〔NUM〕；存储命令拆分后的结果charhostname〔32〕；主机名charpwd〔128〕；当前目录while（1）｛获取命令提示信息structpasswdpassgetpwuid（getuid（））；gethostname（hostname，sizeof（hostname）1）；getcwd（pwd，sizeof（pwd）1）；intlenstrlen（pwd）；charppwdlen1；while（p！）｛p；｝p；打印命令提示信息printf（〔sss〕，passpwname，hostname，p）；读取命令fgets（cmd，LEN，stdin）；cmd〔strlen（cmd）1〕；拆分命令myargv〔0〕strtok（cmd，）；inti1；while（myargv〔i〕strtok（NULL，））｛i；｝pidtidfork（）；创建子进程执行命令if（id0）｛childexecvp（myargv〔0〕，myargv）；child进行程序替换exit（1）；替换失败的退出码设置为1｝shellintstatus0；pidtretwaitpid（id，status，0）；shell等待child退出if（ret0）｛printf（exitcode：d，WEXITSTATUS（status））；打印child的退出码｝｝return0；｝
　　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。