Linux__进程控制

1.进程创建

1.1fork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。

#include <unistd.h> //fork函数的头文件
pid_t fork(void); //
返回值：创建成功给子进程返回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(OS)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(fork创建子进程是以父进程为“模板”的）
• 添加子进程到系统进程列表当中
• fork返回，开始调度器调度

如上图，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。

1.2fork函数返回值

1. 子进程返回0。
2. 父进程返回的是子进程的pid。

其中，默认情况下，父子进程共享代码，但是数据各自私有一份！

代码共享：所有代码共享，不过一般都是从fork之后开始执行。

• 问题：为什么代码共享？
  代码不可被修改，所以各自私有浪费空间。

数据私有：

• 问题：数据为啥要私有一份？
  因为进程之间具有独立性。数据是很多的，不是所有的数据都立马要使用，并且不是所有的数据都要进行拷贝。但是如果立马要独立，就需要将数据全部拷贝，把本来可以在后面拷贝的，甚至不需要拷贝的数据都拷贝了，比较浪费时间和空间。

1.3 写时拷贝

通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图:

问题：现在有数据10M,写入的时候1M，发生写时拷贝，是拷贝10M还是1M？
答案是：1M。数据段在页表中的映射是很细的，只会拷贝写入的新的数据。

1.3 fork的常规用法

1.一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。
2.一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：

1. 系统中有太多的进程。
2. 实际用户的进程数超过了限制。

总结：如何理解子进程创建？

• 本质是系统多了一个子进程，子进程以父进程为模板。

2.进程终止

2.1 进程退出的情况

1. 代码跑完了，结果正确
2. 代码跑完了，结果不正确
3. 代码没跑完，程序异常终止

2.2 进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看最近一次进程退出码）：

1. 从main返回
2. 调用exit
3. _exit

异常退出：

• ctrl + c，信号终止

1、main函数用return退出进程；

main函数退出时, return的数字就是程序的退出码。
问题： 为什么main的return一般会写成0？
因为0在函数设计中，一般代表正确。非0代表错误。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
  
using namespace std;
 
int main()
{
	cout << "hello" << endl;
    return 0;//退出码为0                                                                     
}

2、exit函数退出

#include <unistd.h>

void exit(int status);

exit：终止整个进程，任何地方都会调用，都会终止。
return：终止函数。main函数return 代表进程退出。

3、_exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255。

exit函数和_exit区别：

    1 #include <iostream>
    2 #include <unistd.h>
    3 #include <sys/types.h>
    4 #include <stdlib.h>
    5  
    6 using namespace std;
    7  
    8 int exe()
    9 {
   10   _exit(12);
   11   return 12;
   12 }
   13  
   14 int main()
   15 {
   16   cout << "you should running here!";                                                    
   17   sleep(5);//sleep5秒
   18   exit(13);                            
   19   return 0;//退出码为0                 
   20 }

_exit时系统调用，exit函数和_exit函数的最大区别就是exit函数可以刷新缓冲区而_exit函数不会刷新缓冲区。

3.进程等待

3.1进程等待的必要性

• 子进程退出，父进程如果不处理，就可能造成僵尸进程的问题，从而导致内存泄漏。
• 另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，kill -9 也没办法杀死，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
• 最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，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。

3.2进程等待wait方法

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
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

3.3 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: 默认是0，代表阻塞方式
• 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。

1. 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
2. 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
3. 如果不存在该子进程，则立即出错返回。

3.4 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）：
  

如果我们只想获取退出码的话我们可以(st>>8)&0xff。

4.进程程序替换

4.1替换原理

用fork创建子进程：想让子进程和父进程执行不同的程序。
这要调用exec函数来执行另一个程序。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，代码也要发生写时拷贝。
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。
这些新的代码和数据的替换过程是由os操作的，os会给我们提供接口

4.2 替换函数

有六种以exec开头的函数，统称为exec函数：

#include <unistd.h>

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

4.3 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。

4.4 命名理解

1. l(list) : 表示参数采用列表
   

2. v(vector) : 参数用数组
   

3. p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
   带p的传入系统中的程序或者命令的时候，会自动去搜索环境变量PATH中寻找对应的指令，不需要传入文件路径不带p的，则需要自己传入文件路径。

4. e(env) : 表示自己维护环境变量

4.5示例

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <unistd.h>
  3 
  4 int main()
  5 {
  6 
  7   execl("/usr/bin/ls", "ls", "-i", "-l", "-a", NULL);
  8 
  9   //带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 10   execlp("ls", "ls", "-i", "-l", "-a",NULL);
 11   
 12   char *arg[] = {"ls", "-a", "-l", "-i", NULL};
 13   
 14   execv("/usr/bin/ls", arg);
 15  
 16   //带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 17   execvp("ls", arg);                                                                                 
 18   printf("you should running here!\n");                   
 19   return 0;                                               
 20 }