Linux进程控制

进程创建

以fork（）为例，从已存在的进程中创建一个新进程，新进程为子进程，原进程为父进程。

#include<unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：自进程中返回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，内核做：

1. 分配新内存块和内核数据结构给子进程。
2. 将父进程部分数据结构内容拷贝到子进程中。
3. 添加子进程到系统进程列表中。
4. fork返回，开始调度器调度。

---

进程 = 内核数据结构（OS维护的） +进程代码和数据（一般是磁盘给的）。
创建子进程，给子进程分配对应的内核结构，必须子进程独有，以确保进程的独立性。理论上，子进程也要有自己的代码和数据。可一般而言，没有加载数据的过程，即子进程没有自己的代码和数据。所以，子进程只能“使用”父进程的代码和数据。

---

代码：都是不可写的，只能读取，所以父子共享没有问题。
数据：可能被修改，所以必须分离。
所以针对数据的安全问题，
可以直接把父进程的数据拷贝一份给子进程用（写时拷贝）。
但是，拷贝给子进程的数据，子进程可能用不到，即便用到了也可能只是浅浅的读一下。
依着编译器编译程序的时候，都扣扣搜搜的，知道节省空间的样子。

所以，只会将 将来会被父进程或子进程写入的数据拷贝一份。
但一般而言，os也不知道那些空间可能会被写入。且提前拷贝了也不一定会立刻使用。
所以os选择了，写时拷贝技术，来进行父子进程的数据分离。

os为何要选择写时拷贝技术？
1.用的时候再分配，是高效使用内存的一种表现。
2.os无法在代码执行前预知哪些空间会被访问。

fork之后，父子进程代码共享，其共享是after共享，还是所有的都共享？
所有的共享。
1.代码汇编完之后，会有很多行代码，每行代码加载到内存后，都会有各自对应的地址。
2.因为进程随时可能被中断（可能并没有被执行完），下次回来，还必须从之前中断的位置继续运行。
所以就要求cpu必须随时记录当前进程执行的位置，所以，cpu内有对应的寄存器数据（EIP，也称pc指针（point code）、程序计数器）。
3.寄存器在cpu内只有一份，但寄存器内的数据可以有多份。父子进程各自调度，各自会修改EIP，但无伤大雅，因为子进程已经认为自己的EIP起始值就是fork之后的代码。

---

进程终止

进程终止时，操作系统的动作：
释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码。
本质就是释放系统资源（内存、cpu资源……）。

进程退出的场景：
1.代码运行完毕，结果正确。
2.代码运行完毕，结果不正确。
3.代码异常之中。

---

main函数的返回值意义是啥？
返回值是进程退出嘛。
平常main（）中的return 0是啥意思？为什么总是0？
0表示sucess。返回非0，就意味着运行的结果不正确。

ehco $?：用来获取最近一个进程，执行完毕的退出码。
echo $?本身也是一个进程，所以第二个ehco $获取的是第一个ehco $的进程退出码。第三个echo $?也同理。所以第二、三个退出码是0.

以求1到100的和为例，通过查询进程退出码检测进程是否运行正确

同时，非0值有很多个，不同的非0值，可以表示不同给的错误原因。
这样子，程序运行结束后，结果不正确时，方便定位错误的原因细节。
如下图，打印了前十个退出码：

这些退出码是系统提供给我们使用的。当然，也可以自己定义退出码使用。

---

进程常见的退出方式：exit

#include<stdlib.h>
void exit(int status);
终止普通进程

如下图，exit与return不同。
return在普通函数通常代表调用结束，在main函数中代表进程退出。
exit在代码的任何地方调用，都表示直接终止进程。
且return是语句，exit是函数。

---

进程常见的退出方式：_exit

#include<unistd.h>
void _exit(int status);

printf中没有\n时，数据没有被立即刷新出来，而是存在于相关的缓冲区。exit终止程序时，会将缓冲区的数据刷新出来再终止。

而_exit终止程序时，不会将缓冲区的数据刷新出来再终止。 exit会调用_exit，但在调用exit之前，还做了其他工作: 1.执行用户通过atexit或者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 再后，调用exit。

---

进程等待

若子进程退出，父进程不管不顾，可能会造成僵尸进程问题，进而导致内存泄漏问题。
且进程一旦变成僵尸状态，那么kill -9也无法杀死这个进程。
同时父进程是需要知道子进程的运行状况的。
所以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。

如上图，子进程

进程等待方法：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id，失败返回-1。
参数：输出型参数,获取子进程退出状态，不关心的话可以设置成NULL。

使用wait方法让父进程阻塞等待：

父进程执行完毕后，回收子进程资源：
5s~7s这个时间段，子进程变成了僵尸进程。待7s后，父进程执行完毕后，回收子进程。

---

进程等待方法：waitpid方法

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int*status, int options);
返回值：
	(1)当正常返回的时候，waitpid返回收集到的子进程id。
	(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error会被设置成相应的值以表示错误所在。
参数：
	pid：
		pid=-1，等待任一个子进程，与wait等效。
		pid>0，等待进程ID与pid相等的子进程
	status：
		WIFEXITED(status):若为正常终止子进程范返回的状态则为真。（查看进程是否正常退出）
		WEXITSTATUS(stauts):若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程退出码）
	options：
		默认为0，表示阻塞等待。

---

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。
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可以当做位图来看待
status并不是按照整数来整体使用的。

父进程通过wait/waitpid函数可以拿到子进程的退出结果，可以用一个全局变量代替wait/waitpid函数嘛？
进程具有独立性，数据会发生写时拷贝后，父进程无法拿到。且就算可以，信号的代替方案也有待商榷。
进程具有独立性，进程退出码、收到的信号，也是子进程的数据，父进程怎么拿到的？
一个进程死亡之后，其数据、资源可以释放了，但是至少要保留其PCB信息。而twait/waitpid函数的工作本质其实是，读取task_struct结构中保留的进程退出时的退出结果信息。

在linux内核中，task_struct中存在进程的退出结果和接受的信号

task_struct是内核数据对象，wait/waitpid函数有资格调用嘛？
有。wait/waitpid算系统调用。

使用系统提供的宏，获取退出码

---

waitpid方法的参数options

options默认为0，代表阻塞等待。
WNOHANG选项，代表父进程非阻塞等待。
WNOHANG是一个被系统定义的宏值。

非阻塞等待：
父进程通过waitpid来进行等待，如果子进程没有退出，立马返回waitpid这个系统调用。

属于操作系统的内核中的waitpid实现的伪代码：
检测子系统退出状态，查看task_struct中子进程的运行信息
waitpid(child_id, status, options)
{
   
	if (status == 退出)
	{
   
		return child_pid;
		//waitpid是父进程调用的，
		//通过 status |= child->sig_number 、 status |= ((child->exit)>>8)
		//父进程可以直接拿到子进程的退出码和受到的信号
	}
	else if (status == 没退出)
	{
   
		if (options == 0)
		{
   
			//为0，默认挂起状态。
			//拿父进程的pcb，father_pcb将其挂入等待队列中。
			//进程阻塞的本质，是进程阻塞在系统函数内部。
			//当运行条件满足时，父进程被唤醒，EIP寄存器中留存的是地址，只想的是是if（options==0）这行代码，所以从这行代码向后继续指向。
		}
		else if (options == WNOHONG)
		{
   
			return 0;//不阻塞进程
		}
		return 0;
	}
	else
	{
   
		//出错、其他原因……
		return -1;
	}
}

···

进程程序替换

· forl的常规用法：

1. 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
2. 子进程要执行一个不同的程序。

程序替换，是通过特定的接口，加载到磁盘上的一个权限的程序（代码和数据），加载到调用进程的地址空间中。让子进程执行一个其他 程序。

---

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（有可能执行不同给的代码分支）。子进程往往要用exec函数以执行另一个程序。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，从新进程的启动例程开始执行。
调用exec并不创建新进程，所以调用exec函数前后该进程的id并未改变。
程序替换，是通过特定的接口，加载到磁盘上的一个权限的程序（代码和数据），加载到调用进程的地址空间中。

进程替换，有没有创建新的子进程？
没有。进程早就存在了，进程替换也只是改变映射关系，并不影响进程PCB的优先状态，自然没有创建新的子进程。

操作系统是如何将程序放入（加载）到内存的？
exec函数，就是如何加载程序到内存的函数。

---

替换函数

有六种以exec开头的函数，统称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, const char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]); 
//man手册里只有这六个，但是官方手册有七个。

execl（）

• 参数：

1. const char *path：上文有提及到：exec函数，就是如何加载程序到内存的函数。加载程序自然需要其地址，所以这个path是带路径+目标文件名。
2. …（三个点）：可变参数列表，代表可以传入多个不定参数。

为什么不打印最后一句printf？
execl是程序替换，调用该函数成功之后，会将当前进程的所有的代码和数据都进行替换，包括已经执行的和没有执行的。
所以一旦调用成功，后续的所有代码，全部不会执行。

execl()只有当他出错了，才会有返回值：-1。
execl为什么成功调用没有返回值？
进程替换时，execl函数本身也属于要被替换掉的代码。所以execl函数成功后，根本不需要返回值。

为什么要创建子进程？
为了不影响父进程，让父进程聚焦在读取数据、解析数据，指派进程执行代码的功能。

---

execv
参数：
char *const argv[]：是一个指针数组。
以“ls -a -l”为例，就是将其拆开，将“ls”、“-a”、“-l”分别装入数组。
正因为是一个指针数组，所以一定要以NULL结尾。。

---

execlp
参数：
const char *file：这里只需要给执行程序的名称，系统会自动在环境变量path中进行查找

---

execvp

---

execle
相较于execl，execle的参数多了const char *envp[],这个参数接受的是环境变量，也是一个指针数组。

获取环境变量
#include<stdlib.h>
char *getenv(const char *name);

环境变量具有全局属性，可以被子进程继承下去。

---

如何指向自己写的执行程序？
上面的ls例子，是系统提供的。
下面以用exec.c调用自己写的mycmd为例。

---

命名规律
综上，不难发现，exec*的功能就是加载器的底层接口。 整理下命名规律

• l（list）：表示参数采用列表
• v（vector）：参数用数组
• p（path）：有p自动搜索环境变量PATH
• e（env）：表示自己维护环境变量

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变量
execl	列表	不是	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	不是	不是，得自己组装环境变量
execv	数组	不是	是
execvp	数组	是	是
execve	数组	不是	不是，得自己组装环境变量