Linux_进程

• 进程创建
• 进程退出码
• 进程等待
• 程序替换

Shell作为命令行解释器是一个进程，它也有自己的数据结构task_struct和代码和数据。为了防止用户输入的指令造成Shell崩溃，所以Shell执行用户输入的指令是通过创建一个子进程来执行的。例如ls``pwd等等。

一.进程创建

1.fork系统调用

在Linux中，有一个系统调用fork可以创建一个子进程。

• 返回值：给子进程返回0，父进程返回子进程pid，创建子进程失败返回-1

根据返回值的不同，我们可以让子进程执行父进程的一部分代码，这也是创建进程的目的之一。另一个目的就是让进程执行其他程序，这与程序替换有关。下面代码就是fork()的用法

2.fork 的原理

进程包括 task_struct 和 程序数据和代码，fork的作用就是创建一个task_struct 和父进程共享代码和数据，当代码和数据需要改变时，写时拷贝机制保证进程独立性。

• fork创建的子进程task_struct 大部分属性是来自于父进程。
• 操作系统将子进程的task_struct 加入进程队列。
• fork之后，执行流有两个，因为有两个进程控制块。
• fork之后，父子进程谁先执行由调度器决定。

二.进程退出码

在写c代码时，我们会在main函数中写return 0; 相信大家都会疑惑，这句话有什么用呢，要理解这个代码有什么用，就要充分理解进程退出码。
大家在用程序完成任务时，都会关心程序的执行结果对不对，结果不对要知道为什么不对，那么如何知道结果对不对呢，我们可以通过打印来判断，但是当结果不好判断时，这种方式显然就不实用了，此时我们可以通过进程退出码来判断。每一个进程退出码都对应一个字符串，显示错误原因，在c语言中，strerror()可以将进程退出码转换为错误原因。
在Linux中，可以用echo $? 打印上一个程序的进程退出码。main函数中的return 0；0就是进程退出码。除了在main函数中return，还可以用exit(),_exit()进行退出

三.进程等待

程序的执行结果有两种，一种是正确执行完毕，另一种是程序奔溃。当程序正确执行完后，会有一个进程退出码来表示结果是否正确；如果程序奔溃的话，操作系统会给进程发送一个信号。因此，只要获得进程退出码+信号，就可以获得子进程的执行情况。进程等待就是取得进程退出码+信号的过程。
如果子进程退出，父进程不回收它，那么子进程将会成为僵尸进程，造成内存泄漏。父进程如何回收子进程呢，就是通过进程等待。Linux中有wait，waitpid两个系统调用来等待进程。

1. pid_t wait(int* status);
   • 功能：阻塞等待调用进程的任意子进程
   • 返回值：等待成功，返回子进程pid，失败返回-1
   • int* status：输出型参数，获取进程退出码和进程退出信号。提取这两个字段可以用位运算，也可以用宏WIFEXITED(status)判断是否正常退出，然后用WEXITSTATUS(status)来提取退出码

阻塞等待的工作流程：
当父进程阻塞等待子进程时，父进程的状态由R变为S，挂到子进程的parent队列上，当子进程退出时，os会将parent队列上的父进程状态由S变为R，然后os会将子进程退出码+信号写入进程控制块的相应字段，os读取子进程task_struct 中的字段：exit_code, exit_signal,并将这两个字段设置进status。

2. pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int option);
   • 第一个参数pid：pid>0 表示等待指定进程，如果pid=-1,等待任一进程
   • status：同上
   • option：可以指定是阻塞等待还是非阻塞等待。WNOHANG：非阻塞等待；0：阻塞等待
   • 返回值：当返回值>0,表示等待成功，返回值=0，表示还没有成功(非阻塞等待)，父进程可以做自己的事，返回值=-1，表示等待失败

                                                                                                                                                    ?? buffers 
 #include<stdio.h>                                                                                                                                                                       
 #include<unistd.h>
 #include<stdlib.h>
 #include<sys/wait.h>
 #include<sys/types.h>
 
 int main(){
   pid_t id = fork();
   if (id == 0)
   {
      //子进程
      sleep(2);
      exit(9);
    }
    sleep(3);
  
    // 父进程
    int status = 0;
    while (1) 
    {
      
       pid_t n = waitpid(id, &status, WNOHANG);
       if (n > 0)
      {
         if (WIFEXITED(status))
         {
             printf("等待成功！进程退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
         }                                                             
         else                                                          
         {                                                             
             printf("等待成功！进程退出信号：%d\n", status & 0x7f);
         }                                                         
         break;  
       }
    }
    return 0;
}
                                                                                                                                                        
                                                                                                                             
                                                                                                                                                                                   

四.程序替换

创建子进程的目的之一是为了执行任务，这个任务有可能是来源于父进程，也有可能来源于另一个程序，那么如果让创建的子进程执行另一个程序呢，这就要用到exec系列的接口进行程序替换，这种接口也叫做加载器。

4.1 接口的介绍

1. execl

• path：执行程序的路径，arg：表示执行程序名字，…：可变参数列表，同printf，写命令行选项，以NULL结尾
• 返回值：当函数有返回值时，必定替换失败

2. execlp

• file：执行程序的名字，系统会在默认环境变量PATH中查找程序
• 其余同上

3. execle

• envp ：父进程可以将自己的环境变量表传递给子进程。

4. execv

• argv：表示将上述的arg和可变参数列表，放入指针数组

5. execvp

6. execvpe

7. execve

• 该接口是系统调用接口，上面六个接口都是库函数，底层封装了evecve接口
  

4.2 替换的原理

程序替换原理用到了写时拷贝机制，不仅仅变量可以支持写时拷贝，代码也可以支持写时拷贝。fork创建子进程，将共享父进程的代码和数据，调用exec系列接口时，os会将子进程的所有代码和数据都替换为目标程序，然后修改了页表中的映射关系，故此，程序替换完毕。同理，os加载程序的原理也是如此，所以exec系列函数也是加载器。

• 程序替换，不仅仅能替换c语言，c++，java，python，只要能在Linux运行的都可以替换。