IO进、线程——进程的创建、退出、回收、fork()和vfork的区别、exit()和_exit()区别、exec函数族

目录

1、创建进程
2、退出进程
3、fork() 和 vfork() 的区别
4、exit() 和 _exit() 的区别
5、exec() 函数族
6、回收进程

进程系统调用

在操作系统中，进程是程序在执行过程中的一个实例，是计算机中最基本的执行单位。进程系统调用是操作系统提供给用户程序或其他进程使用的接口，通过这些系统调用，用户程序可以向操作系统请求服务或获取资源，实现进程的创建、撤销、通信和调度等功能。

进程：程序执行一次的过程

程序和进程的区别：

程序是静态的二进制有序集合，进程是动态的执行过程
程序只有文本和数据，进程除了文本和数据还有系统级别的数据

进程是资源分配的最小单位

1. 创建进程

pid_t fork(void);

功能：创建子进程
返回值：成功返回等于0或者大于0的数，失败返回-1子进程返回0，父进程返回子进程ID号

#include 
#include 

int main() {
    int x = 10;
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return -1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        x += 5;
        printf("Child: x = %d\n", x);
    } else {
        // 父进程
        x -= 5;
        printf("Parent: x = %d\n", x);
    }
    
    return 0;
}

//Parent: x = 5
//Child: x = 15

pid_t vfork(void);

#include 
#include 

int main() {
    int x = 10;
    pid_t pid = vfork();
    
    if (pid < 0) {
        perror("vfork");
        return -1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        x += 5;
        printf("Child: x = %d\n", x);
        _exit(0); // 使用_vfork的子进程应该使用_exit而不是exit
    } else {
        // 父进程
        x -= 5;
        printf("Parent: x = %d\n", x);
    }
    
    return 0;
}

//Child: x = 15
//Parent: x = 5

功能：创建子进程
返回值：成功返回等于0或者大于0的数，失败返回-1，子进程返回0，父进程返回子进程ID号
注：只能先运行子进程，并且子进程结束了（exit或者exec）才能运行父进程

2. 进程退出

void exit(int status);

功能：让当前进程退出
参数说明：
status：进程退出时想要传递的值（传递给回收者）

void _exit(int status);

功能：让当前进程退出
参数说明：
status：进程退出时想要传递的值（传递给回收者）
_exit进程退出时不清空IO缓冲区，exit退出时要清空

3、fork和vfork都是创建新进程的系统调用，但它们有一些重要的区别：

①、进程创建方式：

fork: 创建一个新的进程，新进程是父进程的副本。父进程和子进程在执行fork之后的代码时是相互独立的，并行执行，但各自拥有各自的地址空间，互不干扰。
vfork: 创建一个新的进程，新进程与父进程共享地址空间。在子进程执行vfork之后的代码时，它会继续使用父进程的地址空间，直到调用exec函数族中的某个函数或者调用_exit函数为止。

②、性能：

vfork通常比fork更高效，因为它避免了复制整个地址空间的开销。在使用fork创建子进程时，需要复制父进程的地址空间，这对于大内存的父进程来说可能会耗费较多时间和资源。

③、安全性：

vfork的使用要求比较严格，子进程在调用vfork后不能修改地址空间中的内容，否则可能会导致不可预期的错误。而fork创建的子进程则不受这样的限制，它可以自由修改自己的地址空间。

④、返回值：
fork返回新创建的子进程的PID（进程ID），父进程中可以通过返回值来判断是父进程还是子进程。
vfork的返回值与fork相同，但在子进程中不能依赖返回值来区分父子进程，因为vfork在子进程中返回之前，父进程是被阻塞的，所以返回值并不代表是父进程还是子进程。

⑤、用途：

fork常用于一般的进程创建场景，其中子进程通常会执行一些独立的任务，或者进行进程间通信（IPC）。
vfork通常用于创建新进程，并在新进程中立即执行exec函数族中的某个函数，从而加载新的可执行程序，替换当前进程的映像。这样可以避免在创建新进程时复制大的地址空间。

总的来说，fork用于创建独立的进程，而vfork用于创建执行新程序的进程，并在加载新程序后立即替换当前进程。在使用vfork时需要格外小心，确保子进程不会对父进程的地址空间进行修改，以避免产生不确定的行为。

4、exit和_exit的区别

①、exit()函数是C标准库提供的函数，而_exit()函数是系统调用，直接由内核提供。
②、exit()函数在调用时会执行一系列清理工作，包括调用atexit()注册的函数，关闭打开的文件流等。而_exit()函数会立即终止进程，不进行任何清理工作。
③、exit()函数会刷新缓冲区，将缓冲区中的数据写入文件。而_exit()函数不会刷新缓冲区，可能会导致输出的数据不完整。
④、exit()函数可以返回一个整数值，作为进程的退出状态码，通常用于表示进程执行的结果。而_exit()函数没有返回值，直接终止进程。

5、exec()函数族

exec函数族用于在当前进程中执行一个新的程序映像，取代当前进程的代码和数据。这样做的效果是当前进程的执行内容会被新的程序替换，从而使得原来的进程变成了新程序的进程。

exec函数族有多个不同的函数，它们可以根据需要提供更多的控制选项。以下是exec函数族的一些常见函数：

//头文件
#include 

①：execl()

int execl(const char *path, const char *arg0, ... /* (char *) NULL */);

功能：从文件中加载并执行一个新的程序映像，置换当前的程序映像。
返回值：exec函数族中的函数没有返回值，因为它们在成功执行时会替换当前进程的代码和数据，导致当前进程的执行流被新程序替代，从而不会返回到exec函数调用的位置。如果执行失败，这些函数会返回-1，并设置相应的错误码，此时当前进程的代码和数据仍然保持不变。
参数说明：
path：指定了要执行的程序的路径。
arg0：是要执行的程序的名称（通常传递给argv[0]），之后的参数是要传递给新程序的命令行参数列表，最后以NULL结尾。

#include 
#include 
int main(int argc, char *argv[])
{ 
//原型int execl(const char *path, const char *arg0, ... /* (char *) NULL 
    //printf("父进程：我的PID是 %d\n", getpid());
    execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);

    printf("我不会被打印出来\n");

    return 0;
} 

②execv()

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

功能：从文件中加载并执行一个新的程序映像。
参数说明：
path：指定了要执行的程序的路径。
argv：是一个字符串数组，用于传递给新程序的命令行参数列表，数组最后一个元素必须是NULL。

#include 
#include 
int main()
{ 
//原型：int execv(const char *path, char *const argv[]);
    char *argv[] = {"ls", "-a", NULL};
    execv("/bin/ls", argv);
    printf("我都出来了，说明你的execv函数没有执行\n");

    return 0;
} 

③execle()

int execle(const char *path, const char *arg0, ... /* (char *) NULL, char *const envp[] */);

功能：从文件中加载并执行一个新的程序映像，并指定新程序的环境变量。
参数说明：
path：指定了要执行的程序的路径。
arg0：是要执行的程序的名称（通常传递给argv[0]），之后的参数是要传递给新程序的命令行参数列表，最后以NULL结尾。
envp：是一个字符串数组，用于传递新程序的环境变量列表，数组最后一个元素必须是NULL。

#include 
#include 
int main(int argc, char *argv[])
{ 
//原型：int execle(const char *path, const char *arg0, ... /* (char *) NULL, char *const envp[] */);
    char *envp[] = {"MY_ENVP = hello", NULL};
    execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, envp);
    printf("我不应该被打印出来！\n");

    return 0;
} 

④execvp()

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

功能：从PATH环境变量指定的路径中查找并执行一个新的程序映像。
参数说明：
file：是要执行的程序的名称。
argv：是一个字符串数组，用于传递给新程序的命令行参数列表，数组最后一个元素必须是NULL。

#include 
#include 
int main()
{ 
//原型：int execvp(const char *file, char *const argv[]);
    char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
    execvp("ls", argv);
    printf("我不应该被打印出来！\n");

    return 0;
} 

⑤execve()

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

功能：从文件中加载并执行一个新的程序映像，并指定新程序的环境变量。
参数说明：
path：指定了要执行的程序的路径。
argv：是一个字符串数组，用于传递给新程序的命令行参数列表，数组最后一个元素必须是NULL。
envp：是一个字符串数组，用于传递新程序的环境变量列表，数组最后一个元素必须是NULL。

#include 
#include 
int main()
{ 
//原型：int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
    char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
    char *envp[] = {"MY_ENVP=hello", NULL};
    execve("/bin/ls", argv, envp);

    printf("我不会被打印出来！\b");

    return 0;
} 

这些exec函数族的函数调用成功时，不会返回，因为当前进程的代码和数据都被新程序替换了。如果函数调用失败，则会返回-1，并设置相应的错误码。执行失败时，应当根据错误码进行错误处理。

6、回收进程

某个进程退出后会变成僵尸态，如果不回收这个进程那么会一直占用系统资源
①wait()

#include 

pid_t wait(int *wstatus);

功能：阻塞等待回收子进程
返回值：成功返回回收到的进程ID，失败返回-1
参数说明：
wstatus：保存exit的值以及子进程退出状态是否正常

#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Child process: My PID is %d\n", getpid());
        // 子进程退出，退出值为 42
        _exit(42);
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程
        printf("Parent process: My PID is %d\n", getpid());

        int status;
        // 使用 wait 回收子进程
        pid_t child_pid = wait(&status);

        if (WIFEXITED(status)) {
            // 子进程正常退出
            int exit_status = WEXITSTATUS(status);
            printf("Child process with PID %d exited normally with status %d\n", child_pid, exit_status);
        } else if (WIFSIGNALED(status)) {
            // 子进程因收到信号而退出
            int signal_num = WTERMSIG(status);
            printf("Child process with PID %d exited due to signal %d\n", child_pid, signal_num);
        } else {
            // 其他错误情况
            printf("Child process with PID %d exited abnormally\n", child_pid);
        }
    } else {
        // fork 失败
        printf("Fork failed.\n");
    }

    return 0;
}

②waitpid()

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

功能：回收子进程（可以非阻塞，也可以指定要回收谁）
返回值：成功返回进程ID，失败返回-1
参数说明：
pid：用于指定要回收的进程号

-1：表示回收任意子进程
0：表示回收特定的子进程号

wstatus：保存进程退出值以及状态(与wait函数的wstatus参数相同)
options：阻塞或者非阻塞的方式

WNOHANG：非阻塞
0：阻塞

#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Child process: My PID is %d\n", getpid());
        // 子进程退出，退出值为 42
        _exit(42);
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程
        printf("Parent process: My PID is %d\n", getpid());

        int status;
        // 使用 waitpid 回收子进程，这里使用 -1 表示回收任意子进程
        pid_t child_pid = waitpid(-1, &status, 0);

        if (WIFEXITED(status)) {
            // 子进程正常退出
            int exit_status = WEXITSTATUS(status);
            printf("Child process with PID %d exited normally with status %d\n", child_pid, exit_status);
        } else if (WIFSIGNALED(status)) {
            // 子进程因收到信号而退出
            int signal_num = WTERMSIG(status);
            printf("Child process with PID %d exited due to signal %d\n", child_pid, signal_num);
        } else {
            // 其他错误情况
            printf("Child process with PID %d exited abnormally\n", child_pid);
        }
    } else {
        // fork 失败
        printf("Fork failed.\n");
    }

    return 0;
}

wait()和waitpid()最大区别

wait函数是一个阻塞式的回收函数，它会一直等待直到有子进程退出。而waitpid函数可以选择回收某个特定的子进程，还可以使用WNOHANG选项进行非阻塞回收。