Linux（进程控制）
进程控制
- 进程创建
-
- fork函数初识
- fork函数返回值
- 写时拷贝
- fork常规用法
- fork调用失败的原因
- 进程终止
-
- 进程退出码
- 进程常见退出方法
- 进程等待
-
- 进程等待必要性
- 获取子进程status
- 进程等待的方法
- 阻塞等待与非阻塞等待
-
- 阻塞等待
- 非阻塞等待
- 进程替换
-
- 替换原理
- 替换函数
- 函数解释
- 命名理解
- 做一个简易的shell
进程创建
fork函数初识
在linux中fork函数时非常重要的函数，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。
返回值：子进程中返回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：
- 分配新的内存块与内存数据给子进程；
- 将父进程的部分数据内容拷贝进子进程；
- 添加子进程到系统列表当中；
- 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：
我们会发现，fork之前，父进程是单独执行的，fork以后父进程和子进程就分流进行执行了，但是要注意的是父子代码共享是fork以后共享，并不是程序所有的都共享，而且fork以后谁先执行是由调度器决定的。
fork函数返回值
那么为什么要给父进程返回子进程PID呢？
一个子进程只能拥有一个父进程，但是一个父进程可以拥有多个子进程，父进程创建子进程是为了给子进程指派任务，返回子进程的PID就可以很好的对诸多子进程进行管理。
为什么fork以后就会有两个返回值呢？
父进程在调用fork函数以后，fork函数就会进行一系列操作，创建子进程PCB，创建子进程虚拟地址空间，创建页表…，也就是说，在return之前，子进程就已经创建完成了，return就需要父进程子进程都执行，而return的本质就是对id的写入，父进程返回一个id，子进程返回一个id，对于父子进程返回的id程序都需要进行执行，所以此时就会有两个返回值。
写时拷贝
父进程创建子进程，并不会对所有代码和数据都进行拷贝，因为有些东西子进程只需要进行读取，并不需要修改，与父进程共享即可，我们只有在需要修改的时候，对数据进行拷贝即可，这种延时拷贝策略，极大的提升了效率。
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
- 系统中有太多的进程。
- 实际用户的进程数超过了限制。
进程终止
进程退出场景：
- 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。
进程退出码
我们平时写代码过程中，一直是return 0，这是为什么呢？main函数也是个函数，系统要调用他，就需要有返回值，而return 0就表示代码执行成功，结果正确，我们一般用非0表示结果不正确，原因在于成功了就成功了，只有一种可能，但是失败确有多种原因。
我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息：
C语言当中的strerror函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：
实际上我们Linux中各种指令也是可执行程序，我们也可以看见相应的退出码：
进程常见退出方法
正常退出
- return退出
在main函数中使用return终止是我们最常见的方式。
- 调用exit
（1）执行用户通过 at；
（2） 关闭所有打开的；
（3） 调用_exit；
我们要注意，return只能在main函数中退出，在其他位置都是返回值，而exit可以再任意位置退出，包括调用的函数内部。
3. 调用_exit
我们会发现exit与_exit的区别就是_exit会直接终止进程，不做任何后续处理，而exit会刷新缓冲区。
我们需要知道的是，保存数据的缓冲器并不是操作系统再给我们维护，因为_exit之后，并没有刷新缓冲区，而是C标准库给我们维护的。
异常退出
ctrl + c，信号终止
在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出，或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。
进程等待
进程等待必要性
- 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。
- 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。
- 父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。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。
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信息。 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不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）
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。
进程退出码：(status >> 8) & 0xFF
进程退出信号：status & 0x7F
进程等待的方法
1. wait方法
pid_t wait(int*status);
//返回值：成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
//参数：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
此时程序处于僵尸状态，父进程并没有对子进程进行回收，当我们使用wait以后：
1 #include<stdio.h>
2 #include<unistd.h>
3 #include<stdlib.h>
4 #include<sys/wait.h>
5 #include<sys/types.h>
6
7 int main()
8 {
9 pid_t id = fork();
10 if(id == -1)
11 {
12 perror("fork()");
13 return 1;
14 }
15 else if(id == 0)
16 {
17 int cnt = 5;
18 while(cnt)
19 {
20 printf("I am chlid: cnt:%d, pid:%d, ppid:%d\n", cnt, getpid(), getppid());
21 sleep(1);
22 cnt--;
23 }
24 exit(1);
25 }
26 else
27 {
28 pid_t ret = wait(NULL);
29 if(ret > 0)
30 {
31 printf("wait child sucess: ret:%d\n", ret);
32 }
33 while(1)
34 {
35 printf("I am father: pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
36 sleep(1);
37 }
38 }
39 return 0;
40 }
父进程一直在等待当子进程运行完成，子进程运行以后，父进程对子进程进行了回收，此时程序中就只剩下父进程，子进程已经成功被回收了。
2. waitpid方法
pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
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发现没有已退出的子进程可收集,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；
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:
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）
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。
创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
1 #include<stdio.h>
2 #include<unistd.h>
3 #include<sys/wait.h>
4 #include<stdlib.h>
5 int main()
6 {
7 pid_t id = fork();
8 if(id < 0)
9 {
10 perror("fork()");
11 }
12 else if(id == 0)
13 {
14 int cnt = 5;
15 while(cnt)
16 {
17 printf("I am child: pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
18 sleep(1);
19 cnt--;
20 }
21 exit(1);
22 }
23 else
24 {
25 int status = 0;
26 pid_t result = waitpid(id, &status, 0);
27 if(result > 0)
28 {
29 printf("wait child sucess: result:%d\n", result);
30 if(WIFEXITED(status))
31 {
32 printf("子进程退出码：%d\n",WEXITSTATUS(status));
33 }
34 else
35 {
36 printf("子进程收到的退出信号：%d\n", status & 0x7F);
37 }
38 }
39 }
40 return 0;
41 }
当子进程正常退出时，父进程等待子进程成功：
我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功，但是子进程属于异常退出。
注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。
阻塞等待与非阻塞等待
阻塞等待
上述例子中，我们可以发现，当子进程未退出时，父进程一直就在等待子进程，其他什么事都没有做，此时进程父进程就会进入阻塞状态，当子进程运行完毕，父进程立马被唤醒，接收子进程pid，此时状态就叫做阻塞状态。
非阻塞等待
父进程调用waitpid函数来进行等待，如果子进程没有退出，waitpid这个系统调用立马返回，父进程可以干其他事情，而且父进程会不间断的调用waitpid函数来获取子进程的运行情况，一旦子进程运行结束，父进程就立马接收到，这就叫做非阻塞等待。
做法很简单，向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG，这样一来，等待的子进程若是没有结束，那么waitpid函数将直接返回0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的pid。下面以一段伪代码展示一下：
1 #include<iostream>
2 #include<vector>
3 #include<stdio.h>
4 #include<unistd.h>
5 #include<sys/wait.h>
6 #include<stdlib.h>
7
8 typedef void (*hander_t)();
9 std::vector<hander_t> handers;
10 void fun_one()
11 {
12 printf("这是一个临时任务1\n");
13 }
14 void fun_two()
15 {
16 printf("这是一个临时任务2\n");
17 }
18 void Load()
19 {
20 handers.push_back(fun_one);
21 handers.push_back(fun_two);
22 }
23 int main()
24 {
25 pid_t id = fork();
26 if(id == 0)
27 {
28 int cnt = 5;
29 while(cnt)
30 {
31 printf("I am child: %d\n", cnt);
32 sleep(1);
33 cnt--;
34 }
35 exit(1);
36 }
37 else
38 {
39 int quit = 0;
40 while(!quit)
41 {
42 int status = 0;
43 pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
44 if(ret > 0)
45 {
46 printf("wait child sucess: exit code:%d\n", WIFEXITED(status));
47 break;
48 }
49 else if(ret == 0)
50 {
51 printf("The child process is still running, the parent processcan handle other things!!\n");
52 if(handers.empty())
53 {
54 Load();
55 }
56 for(auto e : handers)
57 {
58 e();
59 }
60 }
61 else
62 {
63 printf("wait failed\n");
64 break;
65 }
66 sleep(1);
67 }
68 }
69 }
此刻在运行程序我们可以发现，在等待期间，父进程也可以处理其他事情：
进程替换
替换原理
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。
当程序替换之后，有没有创建新的进程？
程序替换只是将物理内存空间的代码以及数据进行了替换，程序的PCB，虚拟地址空间以及页表并没发生改变，只是改变当前页表的映射关系，所以并没有创建新进程。
子进程进行替换后，会影响父进程的代码和数据吗？
子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，此时子进程需要被替换，就需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，父子进程的代码和数据就发生了分离，所以对子进程替换是不会影响父进程的代码和数据的。
替换函数
其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数：
1.int execl(const char* path, const char* arg, ...);
第一个参数为需要执行程序的路径，第二个参数为可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
调用execl函数以后，当前进程的所有数据和代码都会被进行替换，包括已经执行的和未执行的，上述程序中printf已经被执行完毕，打印出来了，所以会显示出来，本质上其实他已经被替换了。
2. int execv(const char* path, char* const argv[]);
第一个参数表示可执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，存放的是你要如何执行这个可执行程序，数组以NULL结尾。
3. int execlp(const char* file, const char* arg, ...);
第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
4. int execvp(const char* file, const char* const argv[]);
第一个参数表示可执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，存放的是你要如何执行这个可执行程序，数组以NULL结尾。
5. int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。
6. int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。
下面我们可以看见子进程进行替换是的状态：
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。
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;
| 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，必须自己组装环境变量 |
| execv | 数组 | 不是 | 是 |
| execvp | 数组 | 是 | 不是，必须自己组装环境变量 |
| execve | 数组 | 不是 | 是 |
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。这些函数之间的关系如下图所示：
做一个简易的shell
shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结
束，然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序 并等待这个进程结束。
所以要写一个shell，需要循环以下过程：
- 获取命令行
- 解析命令行
- 建立一个子进程（fork）
- 替换子进程（execvp）
- 父进程等待子进程退出（wait）
1 #include<stdio.h>
2 #include<stdlib.h>
3 #include<string.h>
4 #include<unistd.h>
5 #include<sys/wait.h>
6
7 #define NUM 1024
8 #define SIZE 32
9 #define SEP " "
10 //保存完整的字符
11 char cmd_line[NUM];
12 //保存打散之后的字符串
13 char* g_argv[SIZE];
14
15 int main()
16 {
17 while(1)
18 {
19 //1.打印出提示信息："[root@localhost myshell]# "
20 printf("[root@localhost myshell]# ");
21 fflush(stdout);
22 memset(cmd_line, '\0', sizeof cmd_line);
23 //2.获取用户输入的各种键盘指令："ls -a -l -i"
24 if(fgets(cmd_line, sizeof cmd_line, stdin) == NULL)
25 {
26 continue;
27 }
28 cmd_line[strlen(cmd_line) - 1] = '\0';
29 //3.命令行字符串解析："la -a -l -i" -> "ls" "-a" "-l" "-i"
30 g_argv[0] = strtok(cmd_line, SEP);
31 int index = 1;
32 if(strcmp(g_argv[0], "ls") == 0)
33 {
W> 34 g_argv[index++] = "--color=auto";
35 }
36 if(strcmp(g_argv[0], "ll") == 0)
37 {
W> 38 g_argv[0] = "ls";
W> 39 g_argv[index++] = "-l";
W> 40 g_argv[index++] = "--color=auto";
41 }
W> 42 while(g_argv[index++] = strtok(NULL, SEP));//第二次解析原始字符串，出入NULL
43 //4.让父进程自己执行命令
44 if(strcmp(g_argv[0], "cd") == 0)\
45 {
46 if(g_argv[1] != NULL)
47 {
48 chdir(g_argv[1]);
49 }
50 continue;
51 }
52 //5. fork()
53 pid_t id = fork();
54 if(id < 0)
55 {
56 perror("fork()");
57 return 1;
58 }
59 else if(id == 0)
60 {
61 printf("下面程序是由子进程运行的\n");
62 execvp(g_argv[0], g_argv);
63 exit(1);
64 }
65 else
66 {
67 int status = 0;
68 pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);
69 if(ret > 0)
70 {
71 printf("wait sucesss: exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
72 }
73 }
74
75 }
76 return 0;
77 }
结果演示：