【Linux】进程控制

fork函数

我虽然这里写了fork函数，但是在我的上一篇博客中也已经讲了fork函数的基本用法。所以这篇不过多叙述fork，只是要用到fork才在目录中写的fork函数。如果点进来的你不是很了解fork函数可以看看我上篇博客：进程概念

fork常规用法

下面两个就是本篇重点要说的，通过控制子进程来使子进程实现不同的功能。

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。

看不懂没关系，往后接着看就能看懂了。

进程终止

进程退出场景

一个进程，就三种退出的场景。

1. 代码运行完毕，结果正确
2. 代码运行完毕，结果不正确
3. 代码异常终止

怎么理解。
首先，main函数的返回值，也就是return x，x就是这个进程的退出码。
我们可以用echo $? 来查看最近一次的进程退出时的退出码。这个在我上一篇博客中也是讲了的。这里就再演示一下：

代码如下：

#include
int main()
{
	printf("hello world\n");
	return 20;
}

就这么简单的hello world，返回值就是进程的退出码。

然后再echo $? 退出码就变成了0，因为命令行上的命令也是进程，所以echo $?也有对应的退出码，就是0。

我们在给个不是0的例子：

上面ls进程中没有所谓的e选项，所以ls这个进程就执行错误了。我们此时再用echo $? 来查看ls -a -b -c -d -e的退出码时就出现了2。

那么退出码有什么意义呢？

我们可以通过退出码来判断进程执行结果是否正确。
!0 的数表示进程运行结果错误，0表示进程运行结果正确。

这也是为什么我们刚学C时，每次都要写return 0；而不是return 1；等等。
不同的退出码代表着不同的错误信息。

举个例子：
当你数学考试成绩出来的时候，可能你刚好考了59分，这时候你爹问你为啥没考到60，你可以说出你没考六十的原因，比如说你考试的时候发烧了/拉肚子了/粗心了…等等原因，我们将上面的原因都标上一个具体的数字，比如说1就代表发烧，2就代表拉肚子，3就代表粗心，等等。当你爹问没及格的原因时，就能直接通过数字来找到你对应没考及格的原因。但是如果你及格了的话，你爹正常情况下是不会问你为啥及格了的，这时候及格就相当于是你考试的时候发挥正常。再把这个正常的情况设置为0。

这里就可以类比到进程当中，一个进程的退出码是会被其父进程接收的。
进程结果运行正确，返回0。
进程结果运行错误，返回!0。
进程异常终止。

我们来看看每个!0的退出码都代表什么含义：
可以用strerror来查看每个退出码所代表的错误信息。
代码如下：

跑出来一大堆，这里总共有134个有效的退出码。

中间的太多了，我就直接省略了。

我们再看一下退出码为2的错误信息：No such file or directory
就是没有这个文件或目录的意思。

根据上面这点也就大概能明白为什么main要return 0了。像有的学校的老师竟然还有教学生用return 非零值的，我只能说不好评价。

下面演示下进程崩溃的情况：
给出如下代码：

运行：

我们在上面的退出码中是找不到136这个序号对应的退出码的。
而且，代码如果正常运行的话，代码中后面的打印应该也是有的。但是这里就直接停止了，这就是崩溃的情况。

此时这个退出码136没有什么意义。
就好比你考试作弊被抓住了，那么你的考试成绩也就没有什么意义了。

上面讲的是进程退出的三种情况。
下面说进程退出的常见方式。

进程常见退出方法

其实上面也都涉及了。
有三种退出方式

1. main 函数return
2. exit()终止进程
3. _exit()强制终止进程

第一个就不说了。说下2，3。

2. exit()终止进程进程。
   
   函数的参数就是进程的退出码
   就相当于是 return status；不过是放在哪里都能结束进程。

例子：

第一种，main函数中

第二种，其他函数中


可以看到这里运行了func之后进程就终止了，并没有打印hello world。而且echo $?的结果是12，也就是func中的exit(12);

上面的两个exit的例子也就说明了：exit在任意位置调用，都代表终止进程，参数就是进程的退出码，是由自己来定的。

再讲一下缓冲区的例子：
这个在我前面的博客中也讲了，我也就是在这里提一嘴，方便讲下一个_exit()这个函数。

当我们打印数据时，在后面加上\n会帮我们刷新缓冲区，所以这个代码跑起来就会先打印hello world，后sleep1秒。

但是如果不加\n 看起来就会变成先sleep1秒，再打印hello world。

但是最后还是打印了，这是因为return在进程结束的时候还会帮我们刷新缓冲区。exit也可以。

总的来说就是exit和return本身会要求系统进行缓冲区刷新。

exit最后也会调用_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

前两点没看懂没关系，重点在第三点。

_exit不会刷新缓冲区。

这里没有打印hello world。
_exit 表示强制终止进程，不要进行后续收尾工作，比如刷新缓冲区（用户级缓冲区）。

关于进程终止就讲到这。

最后说一点，进程退出，操作系统层面做了什么？
系统层面，少了一个进程，要free掉改进程的pcb、mm_struct、页表和各种映射关系、代码+数据申请的空间也要释放掉。

进程等待

进程等待是什么？
通过fork()函数，可以创建子进程，有时并不确定子进程还是父进程谁先退出谁后退出，而子进程为了帮助父进程完成某种任务，那么父进程就要知道子进程任务完成的怎么样，父进程fork()之后，需要通过wait()/waitpid()这两个函数来等待子进程退出。

进程等待的必要性

1. 通过获取子进程退出的信息（不仅是退出码），能够得知子进程执行结果。
2. 可以保证时序问题：一定是子进程先退出，父进程后退出。
3. 进程退出的时候，会先进入僵尸状态（处于僵尸状态的进程连kill -9都杀不掉），僵尸进程会造成内存泄漏的问题，需要通过父进程等待子进程，释放掉子进程所占用的资源。

进程等待的方法

两个函数：wait 和 wait_pid

简单理解，这两个函数就是用来收尸的。用来让父进程给子进程收尸。

pid_t wait(int*status);

对于wait：

返回值：成功则返回被等待进程pid，失败则返回-1。

参数status：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
这个status参数，等会讲waitpid的时候再说，这里就先用NULL。

直接来演示一下：
代码如下：

上面让父等待8s，是为了方便观察。

然后运行：

补上没截到的：

可以看到，右边前五秒，父子均为s状态。
五秒后，子变为z，父仍为s。
三秒后，父sleep完毕，等待子，此时子被回收。子进程消失，父仍为s
再过三秒，父消失。

再来说waitpid。

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

下面的这些函数的解释理解起来比较难，先眼睛过一遍然后看例子就行，看完例子再回头看这些解释。

对于waitpid:

返回值：

1. 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程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:
两个宏

1. 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）
2. WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）

options:
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。

进程退出的情况有三种，那么等待进程退出情况也就有三种，下面就用waitpid来演示这三种情况。
代码上面与wait基本上一样，只需要将wait改为waitpid就行。

waitpid第一个参数pid

等待指定子进程

这里的作用前面的wait是一样的，都是父进程等待子进程。

等待任意子进程

此处只需要将函数中第一个参数pid改为-1即可。
改为-1意思是等待任意一个子进程


这里的结果和前面的也一样，因为只有一个子进程，改为-1虽然是等待任意一个子进程，但是现在创建了一个子进程，所以就等的是这一个子进程。

等待失败

这里还是改参数，改为一个不存在的进程的pid。
这里会直接等待失败。

waitpid第二个参数status

通过第二个参数，可以得到子进程的退出信息。
代码稍微修改一下：

然后再运行

上面最后打印的这两个东西，是关于子进程的退出信息的。
一个是退出码，一个是退出信号。
退出码前面都讲过了。退出信号其实也说了，只是没挑明，就是代码异常终止。本质是这个进程因为异常问题，导致自己收到了某种信号。这个某种信号就是退出信号。

这两个不是同时出现的。
一个是进程正常运行结束出现的就是退出码。
一个是进程异常终止就出现退出信号。

status这个参数4个字节，这两个退出信息都是在两个低字节处的。

所以正常终止就是低8~15比特位的数据就是有用的退出码，7~0比特位处的就是0；
异常终止就是8~15比特位的数据为0，6~0比特位处的就是有用的终止信号，中间的第7位暂时不讨论。

此时想要拿到status中的数据的话，两种情况。

1. 正常退出，就让status的8~15位&二进制为1111 1111的数，十六进制就是ff，这样就能得到退出码。
2. 异常终止的话，就让status的0~6位&二进制为0111 1111的数，十六进制就是7f，这样就能得到退出信号。

上面的例子中，子进程通过exit(0)正常退出，退出码就是0。

演示一下：
正常终止得到退出码的情况：

异常终止，得到退出信号的情况：

跑到 a /= 0 的时候子进程就崩掉了，父进程就得到了子进程得退出信号，而不是退出码。

如果我们直接打印status得话，如果退出码为0，则打印的是0，如果不是零，那就是一个很怪的数。

正常退出，但exit(10)的情况：

可以看到 status 的值为2560，其实对应到二进制中就是1010 0000 0000。

异常终止(还是a /= 0的代码)：

可以看到status的结果就是8，也就跟前面讲的相符。

或者我直接kill -9杀进程（代码中子进程改为运行10s）。收到的退出信号就是9

或者kill -2，退出信号就是2。

现在我们再回头看命令行上的进程，为什么我们能够通过echo $?得到进程的退出码。

最重要的一点就是，bash是命令行启动的所有进程的父进程。而且bash就是通过等待的方式来得到子进程的推出结果的，所以我们能通过echo $?看到子进程的退出码。

如果嫌用位操作符来搞退出信息麻烦的话，库里还提供了两个宏。

WIFEXITED()这个宏可以帮我们判断子进程是否正常退出，也就是是否收到了退出信号。
WEXITSTATUS()这个宏是在子进程未收到退出信号时帮我们把status中的退出码整出来。

演示一下：

子进程以exit的形式退出。

父进程用两个宏函数：

子进程崩溃：

父进程代码同上。

waitpid第三个参数options

父进程在等子进程的时候，
可以什么都不做的等，这时候父进程pcb是被放在等待队列中的。
也可以边等边做其他的事，这时候父进程就不会闲着了。

第一种不做事的方式叫做进程的阻塞等待。
第二种边等边做事的方式叫做进程的非阻塞等待。

参数options就是决定是父进程是阻塞等待还是非阻塞等待的。
为0的时候是阻塞等待。
为WNOHANG就是非阻塞等待。
hang有挂起的意思，也有暂停的意思。WNOHANG就是不要让进程停下来。
当我们看到某些应用或者操作系统本身卡住了，长时间不动，就称应用或者程序hang住了，其实就是某个应用所需要的资源未准备就绪，就要不断的等那个资源。

举个例子：
如果你在楼下等朋友出去玩，朋友让你等半个小时。
这半个小时你可以用来干什么？
光在那里等，什么也不干，一直望着你朋友家的窗户，这就是阻塞等待。
但是这半个小时，你可以打游戏，可以听会歌，可以看会电影等等，休闲的途中过一会抬头望一眼朋友家的窗户问下朋友好了没（不断重复），直到朋友下楼。这种等待的方式就是非阻塞等待。

如果在等待的途中朋友说去不了了，他滴妈妈让他补作业不让他下楼玩。这时候就是等待失败了。

是否在等待的时候干事情是由你自己来决定的。

我们前面所有的例子都是子进程先退出的。

改一改代码，让父进程直接开始等，最后再打印father do things，意思就是父进程开始做自己的事情：

这个就是阻塞等待的例子，父进程等到子进程退出才开始做自己的事情。
阻塞的本质就是进程的PCB被放入了等待队列当中，状态改变为S。
返回的本质就是进程的PCB从等待队列里被拿了出来，放到了运行队列当中，从而获取到CPU资源。

那么非阻塞等待呢？
非阻塞是指不要让父进程进入等待队列中，而是让父进程边等变做事（执行代码），还在运行队列中，而且过一段时间父进程就判断一下子进程是否退出。

这种方式就叫做基于非阻塞的轮询方案。

演示一下：

进程程序替换

替换原理

上面的所有例子都是让子进程执行父进程代码中的一部分。

如果想让子进程执行另一个程序，这就是程序替换。

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种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,从新程序的启动例程开始执行。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。

就是下面的图。如果看不懂下面图，可以看我上一篇中的进程概念。

进程不变，仅仅是将进程的代码和数据给替换掉。用exec*系列的函数来实现。

这些函数的参数细节先不讲，先演示一下给大家看看：

直接演示一下：
先不搞父子进程的，就一个进程：

如果没有那条execl语句的话，结果应该是这样的：

但是有这条语句，结果就变成了：

执行到execl就停了，并且执行了ls -a -l 命令。也就是函数中的第二个参数。
这就是进程替换。

但是为什么下面的hello world没打印呢？
就是因为进程原先的代码和数据被替换了。在执行execl之前，进程的代码还是原来的，所以打印了第一句话，但是执行了execl之后，进程原先的代码就被替换成了相当于命令行上 ls -a -l 这个进程的代码。

现在，升个级，加上子进程：

运行结果就变成了这样：

又要讲点细节了，
为什么子进程的代码中并没有exit()或者是return退出，而且子进程是继承了父进程的代码和数据的，但是为什么没有执行后面的打印代码（wait success 和 do father things）呢？

因为进程之间是相互独立的，独立的基础是子进程在执行了execl之后就不再是和父进程共享代码了。进程替换之后在代码区是会改变原进程的代码段的，此时就会发生写时拷贝，导致二者不再共享同一份代码。这时二者之间就是相互独立的。子进程去跑ls的代码，父进程接着原来的代码跑。

程序替换的本质就是把程序的进程代码+数据(加载进特定进程的上下文中! !

C/C++程序要运行，必须的先加载到内存中!
如何加载?
加载器，就是exec*系列的程序替换函数!

只要进程的程序替换成功，就不会执行后续代码，意味着exec*系列的函数， 成功的时候，不需要返回值检测!

只要exec*系列的函数返回了，就一定是因为调用失败了!
给个失败的例子：

这里失败的原因就是目录下没有lsss这个文件。
所以最好在子进程中加上退出码。

上面已经讲了，程序替换是什么(将代码和数据替换)和为什么(子做不同事)，下面讲讲怎么做------>(exec*系列函数)。

替换函数

总共这么些：

extern char **environ;
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 execvpe(const char *file, char *const argv[],
            char *const envp[]);

不全讲，用法上很相似。
先说我们例子中的execl()。

execl

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

两个参数，第一个参数是 某个文件的全路径(路径(绝对和相对都可)+文件名)，这个参数的作用是决定你要执行谁；第二个参数是个可变参数列表，意思就是有多长取决于你自己，像C中的printf的参数就是一个可变参数列表，这个参数的作用是决定你想要怎么执行这个程序。

比如说ls这个指令。
路径 + 文件名就是 /usr/bin/ls（绝对路径），这就是全路径。
第二个参数在我们前面的例子中就是"ls"，“-a”, “-l”，当然可以再加上其他选项（前提是有这个选项）。

再给个例子：

然后说execv。

execv

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

path和上面的execl一样。
我在上一篇将讲程概念里面的环境变量的时候讲过main函数参数的问题。其中main函数的第二个参数就是argv，是用来保存命令行上的命令信息的，这里的argv很相似，是用来保存第一个参数里面指定命令的执行方式的。
听起来比较灰色，看例子：

也就是这个：

char* argv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};
execv("/usr/bin/ls", argv);

其实和上面的execl的功能是一样的。只不过是传参的形式发生了改变。
由可变参数列表，改成了将那些可变参数转放到了argv这个指针数组中，然后将argv作为参数传过去。

结果如下：

再说execlp()；

execlp

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

看见…就是可变参数列表。

execl+p就是这个函数比execl多了一个功能。

就是第一个参数可以不用加上路径了，原来传的是路径+文件名，现在直接传文件名就可以了。看：

再看execvp()；

execvp

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

也是execv + p，就不多说了，就是execv多了一项功能。类比一下，直接给例子：

再说个+e的。execle()；

execle

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

这个是用来向别的程序中导环境变量的。
将envp中的导到path中，但不能直接讲。

得先讲别的：
看例子：
我先新建一个code.c文件，然后打印一下其环境变量：
code.c代码：


可以看到是系统本身的。

前面演示的例子都用的是test.c，编译出来的是Test.c；
新建的文件是code.c，编译出来是Code。
然后我们先用execl来演示一下在执行Test时让Test子进程执行Code。
test.c中的代码：

code.c中的代码不变。
运行Test：

成功。

现在我将在test.c中新搞几个环境变量然后用execle来展示。
其中在执行Test时，子进程被替换成Code时会将test.c中的环境变量导过去。

code.c中的代码不变，然后运行Test(test.c编译出来的)，得到如下结果：

还有别的exec[l/v]+[p]+[e]没讲，但其实讲到这里就可以说讲完了，因为都是类似的用法。我就不再说了。

要中重点说的是lvpe这几个命名上的区别。

命名理解

l(list) : 表示参数采用列表，也就是可变参数列表。
v(vector) : 参数用数组，也就是那个argv的指针数组。
p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH，也就是第一个参数传参时，不需要加路径。
e(env) : 表示自己维护环境变量，也就是将环境变量导入另一个进程中。

自己想想，其实都讲完了。
我这里就展示一下最后一个例子：execvpe()；

执行之前需要将路径导入到PATH中，不然会出错。

函数讲解就到这。

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。

exec函数族

上面的这些函数，其实都是基于一个函数来搞的。这个函数就是execve。

我们用man手册来查看exec系列的函数时，唯独少了execve，因为这个时系统提供的，而剩下的都是用C语言封装出来的库函数。

下面这张图就可以很好地看出这一点：

所有的这些接口看起来是没有什么太大的差别，也确实如此，最大的不同就是参数上的区别。

为什么有这么多接口呢？
就是为了满足不同的应用场景。

最后说一点就是自己打开一个进程和进程替换没有什么差别。
自己打开就是新建一个进程，有新的PCB产生。
替换是替换原来的进程，没有新的PCB。

自己做一个简易的shell

结合前面所讲的知识点，我们可以自己做一个简陋版本的shell。

首先我们先看一下我们平常用的shell的界面：

长这个样子，也就是 [用户名@主机名 当前工作路径]提示符 。
我们首先要搞出来这个东西，你可以选择调用库中的函数来获取这些用户名啥的，但是我们今天的重点不是这，而是关于进程的。

所以我这里就直接打印了，不搞那么麻烦。

1. 打印提示符
2. 获取命令字符串
3. 解析命令字符串
4. 检测命令是否需要shell本身执行（内建命令）（父进程来做）
5. 执行第三方命令（子进程来做）

简陋版的shell代码如下：

细节什么的就说第四点。剩下的就不说了。

如果没有判断cd的而无脑fork的话，结果是这样的：

加上后就是正常的情况：

到此结束。。。