八、进程等待

一、进程创建

（一）fork函数概念

1.概念

在linux 中 fork 函数是非常重要的函数，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。
函数原型：

#include 
pid_t fork(void);

返回值：子进程中返回 0 ，父进程返回子进程 id ，出错返回 -1
子找父容易，父找子难，一个孩子只有一个父亲，但是一个父亲可能有多个孩子！

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（链进运行队列）
4. 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。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序：

#include
#include
using namespace std;
int main() {
    cout << "I am process : pid : " << getpid() << endl;
    fork();
    cout << "I always am process : pid : " << getpid() << endl;
    return 0;
}

2.父子进程共享fork之前和fork之后的所有代码，只不过子进程只能执行fork之后的！

fork之前父进程独立执行，fork之后， 父子两个执行流分别执行。

那么fork之后，是否只有fork之后的代码是被父子进程共享的? ?

fork之后，父子共享所有的代码，但fork之前的代码也是父子共享的，只不过子进程只能执行fork之后的，子进程执行的后续代码! =共享的所有代码，只不过子进程只能从这里开始执行!

为什么呢?

CPU中有一个程序计数器叫eip，也叫做：pc指针，用途是 : 保存当前正在执行指令的下一条指令!（保存当前进程执行到什么位置）。
eip程序计数器会拷贝给子进程，子进程便从该eip所指向的代码处开始执行!

• 如果我想让子进程拿到fork之前的代码，可以让子进程把CPU中的eip改成main函数入口就可以执行fork之前的代码。
  

（二）fork之后，操作系统做了什么?

进程 = 内核的进程数据结构+进程的代码和数据。

创建子进程的内核数据结构(struct task_ struct + struct mm_ struct +页表) +代码继承父进程，数据以写时拷贝的方式，来进行共享或者独立!

1.进程具有独立性，代码和数据必须独立的

• 数据通过写时拷贝保证独立性
• 代码因为是只读的，不可修改

2.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。

3.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。

4.fork调用失败的原因

• 系统中有太多的进程
• 实际用户的进程数超过了限制

（三）fork后子进程保留了父进程的什么？

A.环境变量

B.父进程的文件锁，pending alarms和pending signals

C.当前工作目录

D.进程号

fork函数功能是通过复制父进程，创建一个新的子进程。

A选项正确：环境变量默认会继承于父进程，与父进程相同
B选项错误：信号相关信息各自独立，并不会复制
C选项正确：工作路径也相同
D选项错误：每个进程都有自己独立的标识符

根据理解分析，正确选项为A和C选项

（四）fork和exec系统调用

• fork生成的进程是当前进程的一个相同副本（fork调用通过复制父进程创建子进程，子进程与父进程运行的代码和数据完全一样）
• fork系统调用与clone系统调用的工作原理基本相同（fork创建子进程就是在内核中通过调用clone实现）
• exec是程序替换函数，本身并不创建进程
• clone函数的功能是创建一个pcb，fork创建进程以及后边的创建线程本质内部调用的clone函数实现，而exec函数中本身并不创建进程，而是程序替换，因此工作机理并不相同

二、进程终止

（一）常见进程退出

常见进程退出:

• 代码跑完，结果正确
• 代码跑完,结果不正确
• 代码没跑完，程序异常了

（二）关于进程终止的正确认识

C/C++的时候，main函数为什么 return 0 ？

a.return 0，给谁return
b.为何是0?其他值可以吗?

return 0表示进程代码跑完，结果正确！
return 非零：结果不正确！

在main函数中return代表进程结束，其他非main函数return代表函数调用结束。

1.进程退出码

代码跑完，结果正确就没什么好说的就exit(0)/return 0返回码是0；
如果代码跑完，结果不正确，那我们最想知道的是失败的原因!
所以:非零标识不同的原因! 比如exit(13)
return X的X叫做进程退出码，表征进程退出的信息，是让父进程读取的! !

echo $? 查看进程退出码

echo $? ：在bash中，最近一次执行完毕时，对应进程的退出码。

解释这里：第一次 echo $? 打印了进程退出码 123 ，第二次 echo $? 打印的是上一次 echo $?的进程退出码，因为上一次 echo $? 执行成功了，所以进程退出码是0。

一般而言，失败的非零值我该如何设置呢? 以及默认表达的含义?

可以自定义，也可以用系统定义的sterror。
错误码退出码可以对应不同的错误原因，方便定位问题!

2.关于终止的常见做法——exit()

• 在main函数中return代表进程结束，其他非main函数return代表函数调用结束。
• 在自己的代码任意地点中main函数/非main函数，调用exit()都叫进程退出，exit(X)中的X是退出码。

3.exit和_exit

exit终止进程刷新缓冲区
_exit，是系统调用，直接中止进程，不会有任何刷新操作

终止进程推荐exit或main函数中的return。

会打印： hello bit，即刷新缓冲区。
如果是_exit(0)，就不会打印任何东西，即不刷新缓冲区。

4.关于终止，内核做了什么?

进程 = 内核结构 + 进程代码 和 数据
进程代码 和 数据一定会释放，但是 task/struct && mm_ struct:操作系统可能并不会释放该进程的内核数据结构
因为再次创建对象:

• 开辟空间
• 初始化 都要花时间。

linux会维护一张废弃的数据结构链表叫obj，若释放进程，对应的进程的数据结构会被维护到这个链表中，这个链表没有释放空间，只是被设成无效，需要时就拿，节省开辟时间（这样的链表也称内核的数据结构缓冲池，操作系统叫：slab分派器）。

三、进程等待

（一）为什么要进行进程等待

• 之前讲过，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。
• 另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的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。
• 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

（二）wait

wait()的方案可以解决回收子进程z状态，让子进程进入X，wait是等待任意一个退出的子进程。

#include
#include

#include
using namespace std;
int main() {
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {
        int cnt = 5;
        while (true) {
            cout << "I am son process,i am run : " << getpid() << endl;
            sleep(1);
            cnt --;
            if (cnt) {
                break;
            }
        }
        exit(13);
    }
    else {
         cout << "I am father process,i am wait son process : " << getpid() << endl;
         sleep(1);
         pid_t ret = wait(nullptr);
         if (ret < 0) {
            cout << "wait false" << endl;
          }
          else {
            cout << "wait success" << endl;
          }
          sleep(20);
    }
}

（三）waitpid

#include 
#include 


//函数原型： pid_t wait(int* status)

作用：等待任意子进程退出

返回值：等待成功返回被等待进程的PID，等待失败返回-1.

参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。


函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

作用：等待指定子进程或任意子进程。

返回值：
1、等待成功返回被等待进程的pid。
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：
1、pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。
2、status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
3、options：当设置为WNOHANG时，代表非阻塞式等待，若等待的子进程没有结束，则waitpid函数直接返回0，不予以等待。
若正常结束，则返回该子进程的pid。

例子：

（四）获取子进程的status

下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。
如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会将子进程的退出信息填充到status中。

status是一个整型变量，但status不能简单的当作整型来看待，status的不同比特位所代表的信息不同，在status的低16比特位当中，高8位表示进程的退出状态，即退出码。进程若是被信号所杀，则低7位表示终止信号，而第8位比特位是core dump标志。

我们通过位操作，根据status得到进程的退出码和退出信号。

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //正常退出时的退出码，当异常退出时退出码是没有意义的
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号

对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。

WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号，正常退出，即为真。
WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码

需要注意的是，当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。

四、一些问题

（一）问题一

为什么不能定义一个全局变量code，子进程退出的时候就把code设置好特定的值，然后父进程回收的时候直接拿code的数据呢？

（二）问题二

一个子进程既有退出码:0，又有退出信号：11.

那我先看谁？
常见进程退出：

• 代码跑完，结果正确
• 代码跑完，结果不正确
• 代码没跑完，程序异常了

退出码对应的是前两种情况，退出信号是第3种情况！

程序正常跑完，只关心退出码。一旦进程出现异常，只关心退出信号，退出码没有任何意义！

五、阻塞等待和非阻塞等待

如果子进程就是不退出(如死循环)，怎么办呢？我的父进程只能阻塞等待。

当我调用某些函数的时候，因为条件不就行，需要我们阻塞等待，本质：就是当前进程自己变成阻塞状态，等条件就绪的时候再被唤醒！

我们今天等待的资源就不是硬件了，而是软件。一个进程在等另一个进程！

（一）阻塞等待：

为了完成一个功能，发起一个调用，如果不具备条件的话则一直等待，直到具备条件则完成。
例子：
你是一个程序员，你有个非常漂亮的女朋友，你们相约一起吃饭（必须一起吃）。
今天，由于你一贯磨磨唧唧，她先来到你的楼下，开始发消息：

她：你快点下来吧，我们去吃饭
你：稍等，5分钟
她：行

五分钟很快过去了

她：你快点下来吧，这都5分钟了
你：稍等哦，再给我3分钟
她：嗯 你快点

三分钟又过去了

她：你好了没呀？
你：等等 再给我2分钟
她：把记忆结成冰？？？？？

这个时候，女朋友肯定生气了，于是一个电话打过来：

她：你不许挂电话，我就在这等着，什么时候下来，什么时候我挂。

在这期间，你磨磨唧唧的时候，她发消息的方式，就是进程非阻塞等待，这种等待的方式，她可以看小说、打游戏等等。
生气以后，她电话打进来，就不能再用手机干别的事情了，这就是进程阻塞等待。

（二）非阻塞等待：

为了完成一个功能，发起一个调用，具备条件直接输出，不具备条件直接报错返回。

总结：

其实就相当于在捕捉一个子进程退出的时候，阻塞则会一直等待，直到这个子进程退出，返回对应的值。
而非阻塞，如果刚好捕捉到子进程的退出则直接输出，如果没有捕捉到，也不进行等待，直接输出报错!如果没有捕捉到，也不进行等待，直接输出报错!