【Linux跬步积累】—— 进程创建、进程终止、进程等待、进程程序替换、做一个简易的shell

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进程创建

fork函数初识

在Linxu中fork函数是非常重要的函数，它从已存在的经常中创建一个新的进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#inlcude <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值： 子进程中返回0，父进程返回子进程的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：

• 分配新的内存块和内存数据结构给子进程
• 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之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且他们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始他们自己的旅程，看如下程序。

运行结果：

这里看到了三行输出，一行before，两行after。进程32384先打印before消息，然后它又打印after。另一个after消息由32385打印的。注意到进程32385没有打印before，为什么呢？如下图所示：

所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

fork函数返回值

• 子进程返回0
• 父进程返回的是子进程的pid

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？

答：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？

答：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？

答：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？

答：子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在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？

答：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。

fork常规用法

• 一个父进程希望复制自己，是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，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。

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（进程崩溃）

注意： 函数退出时，仅仅表示函数调用完毕！

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。

[_HPH@iZbp1ezziqb3x7ubzpkn9wZ 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？

答：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。

但当命令执行错误后，其退出码就是非0数字，该数据表示对应的错误信息。

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认为规定的，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：

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之间的区别和联系

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、冲刷缓冲区、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函数运行结束之后，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：向进程发送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。

进程等待

进程等待的必要性

• 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，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。
• 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。（读取子进程的退出信息，本质是读取内核数据结构！）

进程等待的方法

wait方法

头文件
#include<sys/sypes.h>
#include<sys/wait.h>

函数原型： 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 <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){
   
   
		//child
		int count = 10;
		while(count--){
   
   
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0){
   
   
		//wait success
		printf("wait child success...\n");
		if(WIFEXITED(status)){
   
   
			//exit normal
			printf("exit code:%d\n", 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：

[_HPH@iZbp1ezziqb3x7ubzpkn9wZ ProcTermination]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj