Linux：进程管理 | 进程创建 | 进程终止 | 进程等待 | 进程替换

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进程创建

1. 命令行启动命令（程序、指令等）
2. 通过程序自身fork出来的子进程

• OS是进程、与内存的管理者。

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fork

• . fork是系统提供的调用接口；进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：
  1. 分配新的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至子进程；
  3. 添加子进程到系统进程列表当中；
  4. fork返回，开始调度器调度
     

创建子进程，本质是多了一个进程；多了一个进程是多了一套进程相关的数据结构。

• 所有fork出来的子进程大部分数据，都是以父进程为模板拷贝的
• 再不写入的情况下，用户的代码和数据是父子只读共享的
• 为什么是共享的？
  • 因为子进程没有加载代码数据的过程，只能用父进程的。
  • PC计数器也是共享的，fork这条指令执行的时候，PC已经指向下一条指令了。所以只能执行后面的代码

int main()
{
	const char* str ="hello world\n";
	fork();//父进程调用fork
	//子进程只会执行后面的代码
	while(1)
	{
		printf(" pid: %s,ppid: %s, str:%s\n",getpid(),getppid(),str);
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

• fork 常规用法：
  • 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。
  • 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：
  • 系统中统中有太多的进程
  • 实际用户的进程数超过了限制

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写时拷贝机制

• 一个变量里面，为什么会有两个不同的值？从而让父子进入不同的业务逻辑。

int main()
{
	const char* str ="hello world\n";
	pid_t ret = fork();//父进程调用fork
	//子进程只会执行后面的代码
	if(ret==0)
	{
		while(1)
		{
		printf("child: pid: %s,ppid: %s, str:%s\n",getpid(),getppid(),str);
		sleep(1);
		}
	}
	else if(ret>0)//返回子进程的PID
	{
		while(1)
		{
		printf("father: pid: %s,ppid: %s, str:%s\n",getpid(),getppid(),str);
		sleep(1);
		}
	}
	else
	{
		perror("fork");
	}
	return 0;
}

• 通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的、只读的；当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。
  • 在fork返回之前，子进程已经创建出来了，也需要创建变量接受，将返回值写入变量里。
  • 父子页表的映射数据映射到了不同的内存区域
    
• 父子进程其中一个要修改数据时，页表层会有一个报错，OS拦截下来；看看是什么原因报错（野指针、越界等）；
  • 一看是父子进程某一个写入，行吧，我知道了，给你拷贝一份和原数据一样大的空间…

1. 所有的数据，子进程都拷贝一份不就好了吗？
   （1）. 不行，父进程有很多只读的数据，而子进程只需要修改其中的一些或几个。如果全拷贝，浪费内存和系统资源。
   （2）.fork 时，创建数据额结构，如果全拷贝，会降低fork的效率。
   （3）.fork 本身就要像系统要更多的资源，要的太多可能会导致 fork 失败。

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进程终止

• 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

退出码

• 为何main函数中，总是返回0？
  • 给系统看，代表进程退出，0表示成功运行。
    
• 退出码：可以人为的定义，也可以使用系统的错误码list。

#include
#include
int main()
{
	for(int i=0;i<135;++i)
	{
		printf("[%d]:%s\n",i,strerror());
	}
	return 0;
}

• 当程序运行失败时，最关心程序为什么失败；退出码就承担着int—>string（错误信息描述）的转换。
• 父进程可以关心子进程的运行，也可以不关心。
• 在进程非正常结束的情况下，退出码毫无意义。

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进程退出方法

• main 函数的return ；任何函数的 exit 。
  • 非main 函数的 return 不是终止进程，而是结束函数；
  • 任何函数的exit ，都表示终止进程。
• exit 在退出的时候，会进行后续资源处理，包括刷新缓冲区；_exit 则不会。man 2/3 exit

  站在操作系统角度，理解终止进程，核心思想：

1. “释放”曾经为了管理进程所维护的所有数据结构对象。…释放：不是真的把数据结构对象销毁，而是设置成不用的状态，然后保存起来；如果这样的不用的对象多了，就会有一个“数据结构的池。”
2. 释放程序代码和数据占用的内存空间。…不是把代码数据清空，而是把改内存空间设置成无效就可以。
3. 取消曾经该进程的连接关系。…双向链表的指向关系取消。
   

- C语言也是有内存清理资源的函数。

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进程等待

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。

• pid_t wait ( int* status );父进程调用等待。
  • 等待任意一个进程；
  • 返回值是子进程的PID；失败返回-1
  • status：操作系统在PCB里面存着的退出码（比特位第15位到第8位），需要 (status>>8) & 0xFF获得
  • status：如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
  • 多个子进程的情况，利用循环调用等待子进程。

#include
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)    
    {    
        int count=5;    
        while(count)    
        {    
            printf("child: i am running %d, ppid: %d, pid: %d\n",count--,getppid(),getpid());    
            sleep(1);    
        }    
        printf("child: i quit....\n");    
        exit(10);    
    }    
    else    
    {                                                                                                                                             
        printf("father is  waiting:\n");    
        int status =0;    
        pid_t ret = wait(&status);    
        printf("father waited done :exit num: %d, ret: %d\n",(status>>8) & 0xFF,ret);//拿到 status 的第15 - 8的比特位    
        printf("father quit ...\n");
    }
    //if(ret == -1)...
    return 0;
}

• pid_ t waitpid ( pid_t pid , int * status, int options);
  • options：OS在PCB存着的退出信号：kill -num；
    • 给 0 意味着采用阻塞等待的方式调用 waitpid；退出信号存放在status的比特位第6位到第0位,通过status & 0X7F获得
    • 给 WNOHANG，表示采用非阻塞等待轮询探测调用 waitpid;
    • WNOHANG：pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待；父进程继续去做别的事情。
    • 若正常结束，则waitpid()返回该子进程的ID。
  • 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。
• 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；
• 阻塞等待：

//childe
	pid_t id = fork();
    if(id == 0)    
    {    
        int count=5;    
        while(count)    
        {    
            printf("child: i am running %d, ppid: %d, pid: %d\n",count--,getppid(),getpid());    
            sleep(1);    
        }    
        printf("child: i quit....\n");    
        exit(10);    
    } 

//father
 int status =0;
 pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);  
	 if(ret >0 && WIFEXITED(status)== 0)
    {
        printf("wait sucess quit normal !\n");
        printf("exit code: %d,quit signal: %d, pid: %d\n",WEXITSTATUS(status),WIFEXITED(status),ret);
    }
    else{
        printf("wait failed  child quit kill signal:%d\n", WIFEXITED(status));//推出信号
    }

• 为什么要让进程等待：
  • 回收僵尸进程，解决内存泄漏；
  • （不是必须的）需要获取进程的运行结束状态
  • 尽量让父进程晚于子进程退出，可以规范化进行回收资源
• status的系统提供的使用方法
  • WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程，WIFSIGNALED(status)终止信号返回 0。若信号 为非0，表明进程异常终止，此时可通过WTERMSIG(status)获取使得进程退出的信号编号。

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阻塞、非阻塞的等待

• 阻塞等待：父进程调用 waitpid(id,&status,0)时，会一直等着子进程做完事情，什么事情也做不了。
  • 父进程从R状态进入非R状态，进入等待队列；
  • 直到子进程执行完毕，OS唤醒父进程，再将父进程加入调度队列。由OS完成一系列操作。
• 非阻塞等待或非阻塞轮询检测方案：
  • 探测失败：子进程还在运行，下次在检测，父进程继续做事情…
  • 探测成功：获得ID
  • 真失败…，返回-1
• WNOHANG的方式：

//child
  pid_t id = fork();
    if(id == 0)    
    {    
        int count=5;    
        while(count)    
        {    
            printf("child: i am running %d, ppid: %d, pid: %d\n",count--,getppid(),getpid());    
            sleep(1);    
        }    
        printf("child: i quit....\n");    
        exit(10);    
    } 
//father
	int status =0;
    pid_t ret = waitpid(-1,&status,WNOHANG);  
    while(1)
   {
    	if(ret == 0)
   	  {
        printf("wait next !\n"); 
      	printf("fatehr do other thing\n");
 	  }
    else if(ret >0)
      {
        printf("wait sucess \n");
          printf("exit code: %d,quit signal: %d, pid: %d\n",WEXITSTATUS(status),WIFEXITED(status),ret);
          break;
      }
    else
    {
    	 printf("wait failed\n");
    	 break;
    }
  }

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进程替换

• 创建子进程的目的：
  • 执行父进程的代码
  • 执行其他程序的代码
• 进程程序替换也就是把原来父进程的代码替换成其他程序的代码，执行全新的程序。
• 程序 = 代码 + 数据，程序在磁盘就是一个普通的可执行文件。
• 如何替换？OS完成：
  • 通过中断，信号等触发写实拷贝机制，OS在物理内存上重新开辟一块儿代码空间和一块儿数据空间；页表重新构建子进程的进程地址空间与物理内存之间的关系，再把新程序的代码数据加载到内存…

替换函数

• exec函数算是一种特殊的加载器。
  
• 有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

#include `
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[]);

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);

...

• 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。
• 命名理解：
  • 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

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• 事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。

exec l

• 一：int execl(const char *path, const char *arg, ...);：
  

int main()
{
	printf("my process begined.....\n");
	execl("/user/bin/ls","ls","-a",NULL)//要以空 结尾
}

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exec lp

• 二：int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

#include 
#include
#include 
#include
#include

int main()
{
    pid_t rid=fork();
    if(rid==0)
    {
        int cou=5;
        while(cou--)
        {
            printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);
            sleep(1);
        }
        execlp("top","top",NULL);
        exit(11);
    }
    int status =0;
    pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);
    if(ret >0 && WIFEXITED(status)== 0)//信号
    {
        printf("wait sucess !\n");
        printf("exit code: %d,quit signal: %d, pid: %d\n",WEXITSTATUS(status),WIFEXITED(status),ret);
    }
    else{
        printf("wait failed quit signal: %d\n", WIFEXITED(status));
    }
    return 0;
}

---

exec le

• 三：int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);

#include 
#include
#include 
#include
#include
int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
    pid_t rid=fork();
    if(rid==0)
    {
        int cou=5;
        while(cou--)
        {
            printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);
            sleep(1);
        }
        execle("/usr/bin/ls","ls","-i",NULL,env);
        exit(11);
    }
		.....
}

---

exec ve

• 四：int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
• • 调用自己写的 t1 程序，t1 打印获取传过来的自定义环境变量。

//T1.C
#include 
#include 
int main()
{
    int i=0;
    for(;i<2;++i)
    {
        printf("i am here hh, test for execve(); use getenv(...)\n");
    }
		printf("environment variable: %s\n",getenv("MY_ENV"));
    return 0;
}
---------------------
int main()
{
    pid_t rid=fork();
    if(rid==0)
    {
        int cou=5;
        while(cou--)
        {
            printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);
            sleep(1);
        }
        char* const my_argv[]={
         "t1",
         NULL
        };
        char* const my_env[]={
            "MY_ENV= hello execve!",
            NULL
        };
		execve("./t1",my_argv,my_env);
        exit(11);
   }
   ....
}

---

exec vpe

• 五：int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
• 调用自己写的 t1 程序，t1 打印获取传过来的环境变量。

[saul@VM-12-7-centos tt729]$ export my_env="hello execvpe hh cannot add gantanhao"  ...自定义的环境变量
[saul@VM-12-7-centos tt729]$ PATH=$PATH:/home/saul/tt729                        ..运行程序不用加 。/
[saul@VM-12-7-centos tt729]$ vim t1.c
//t1。c
#include 
#include 
int main()
{
    int i=0;
    for(;i<2;++i)
    {
        printf("i am here hh, test for execvpe(); use getenv(...)\n");
    }
    printf("environment variable: %s\n",getenv("my_env"));
    return 0;
}
//main
int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
    pid_t rid=fork();
    if(rid==0)
    {
        int cou=5;
        while(cou--)
        {
            printf("child: %d, ppid: %d,read to run other,%d\n",getpid(),getppid(),cou);
            sleep(1);
        }
        char* const my_argv[]={
         "t1",
         NULL
        };
        execvpe("t1",my_argv,env);
        exit(11);
    }

}

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exec vp

• 六：int execvp(const char *file, char *const argv[]);

int main()
{
 char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 execvp("ps", argv);
}

• v：exec参数列表：传的是：该程序命令行参数列表的字符指针数组，
• p：自动获取全局变量PATH；exec参数列表：前面的第一个参数可以不加路径；
• l：在exec 参数列表一个个传过去 程序的使用方法。l , v 都以 NULL 结尾。
• e：在exec 参数列表：
  • 传过去继承的环境变量字符指针数组、
  • 或自己定义的env 环境变量的字符指针数组
• 可以看出，通过这种exec*函数的方式可以在一个语言程序内，跑另外一个语言的程序。

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exec v

• 七：int execv(const char *path, char *const argv[]);

int main()
{
 char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
execv("/user/bin/ps", argv);
}

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寄语

• 当用户层面某个程序很卡（非网络问题）时，不是进程过多，CPU忙不过来；就是当前进程进入了等待队列，此时会提示你继续等待还是退出的框框弹出来…
  - …有点饶