Linux进程控制

进程创建

fork函数

它从已存在的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

fork创建子进程，OS做了什么？

• 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
• 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
• 添加子进程到系统进程列表中
• fork返回，开始调度器调度

写时拷贝

通常父子代码共享，父子在不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入时，便以写时拷贝的方式产生各自的一份副本。实现了父子进程的彻底分离，完成了进程独立性，可以提高整机内存的使用效率。

进程终止

1. 进程终止时，操作系统做什么？                                                                                                释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码，本质就是释放系统资源
2. 进程退出场景：代码运行完毕且结果正确；代码运行完毕，结果不正确；代码异常终止 
3. 退出方式：从main函数返回；调用exit；_exit

可以使用echo $? 查看进程退出码

exit是库函数，会刷新缓冲区，在最后会调用_exit（系统接口）。而_exit 不会清理缓冲区

进程等待

进程等待的必要性

1. 子进程退出，父进程不管子进程，子进程就处于僵尸状态，一直维护就会导致内存泄漏
2. 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出码

• 进程等待的方式

wait

 成功返回被等待进程的pid，失败返回-1。参数是输出型参数，获取子进程退出状态，不关心可以设置为NULL。wait是阻塞式等待。

waitpid

1.  pid
   1. pid=-1，等待任意一个子进程，与wait等效
   2. pid>0，等待指定进程
2. status
   1. WIFEXITED：查看进程是否是正常退出。正常退出则为真
   2. WEXITSTATUS：查看子进程退出码。若WIFEXITED非0，则提取退出码
3. options
   1. WNOHANG：表示非阻塞等待。若pid指定的子进程没有结束，则函数返回0。正常结束就返回该子进程的PID。
   2. 默认是0，表示阻塞等待。

阻塞等待（Blocking Wait）和非阻塞等待（Non-blocking Wait）是两种不同的等待机制，它们在进程或线程等待条件满足时的行为和效果上存在区别。

阻塞等待：

• 当进程或线程进行阻塞等待时，它会暂停执行，并释放CPU资源给其他可执行的进程或线程。
• 进程或线程在等待期间无法继续执行其他任务，直到等待的条件满足。
• 阻塞等待是一种同步操作，它会让进程或线程等待在等待队列中，直到某个事件发生或条件满足。
• 阻塞等待可以确保在等待期间资源得到正确使用和分配，但可能导致整体执行时间较长。

非阻塞等待：

• 当进程或线程进行非阻塞等待时，它会持续执行，并不会暂停或释放CPU资源。
• 进程或线程在等待期间可以继续执行其他任务，并轮询检查等待的条件是否满足。
• 非阻塞等待是一种轮询式的等待机制，它可以在等待的同时继续执行其他任务。
• 非阻塞等待可以减少整体执行时间，但可能会导致CPU占用较高，因为进程或线程需要主动检查等待的条件。

总结：
阻塞等待会暂停执行并释放CPU资源，直到条件满足，而非阻塞等待会持续执行并轮询检查条件。阻塞等待确保资源的正确使用和分配，但可能导致较长的执行时间，而非阻塞等待可以减少执行时间，但可能导致CPU占用较高。选择使用阻塞等待还是非阻塞等待取决于具体的应用场景和需求。

status的构成：status并不是按照整数来整体使用的，而是按照比特位的方式，将32位比特位划分，我们只需要学习低16位，次低8位表示进程的退出码，最低的7位表示收到的信号。还有一位是core dump标志，表示是否发生了核心转储

(status>>8)&0xff // 得到的是退出码
status&0x7f // 得到的信号码，信号码非0，退出码就无意义，有可能是外部杀死

 示例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(1); //标识进程运行完毕，结果不正确
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            printf("我是子进程：%d\n",cnt--);
            sleep(1);
        }
        exit(11);
    }
    else
    {
        int status = 0; 
        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); 
        //阻塞式的等待！只有子进程退出了，父进程才会waitpid函数进行返回，，父进程依旧还活着。wait/waitpid可以让进程退出具有一定的顺序性
        if(WIFEXITED(status))
        {
            printf("子进程正常退出：%d\n",WEXITSTATUS(status));           
        } 
        else
        {
            printf("子进程退出异常\n");
        }
    }
}

使用wait/waitpid函数等待子进程退出并获取其退出状态，相较于使用全局变量的方式，有以下几个优势：

1. 阻塞等待：wait/waitpid函数可以实现阻塞等待子进程退出。这意味着父进程会被暂停，直到子进程退出为止。这样可以避免父进程在子进程还没有完成时继续执行，从而确保父进程能够获取到子进程的退出状态。

2. 释放资源：通过使用wait/waitpid，操作系统可以及时回收子进程的资源，防止产生孤儿进程。子进程退出后，操作系统会清理子进程的资源，包括退出状态、内存、文件描述符等。这样可以有效避免资源泄漏和浪费。

3. 处理多个子进程：如果父进程创建了多个子进程，使用wait/waitpid可以分开处理每个子进程退出的情况。wait/waitpid函数提供了灵活的参数设置，例如可以使用waitpid指定要等待的具体子进程PID，也可以使用WNOHANG选项进行非阻塞轮询等待。这样可以更好地组织和管理多个子进程的退出状态。

4. 错误处理：wait/waitpid函数可以处理多种错误和退出状态。通过检查wait/waitpid返回值，可以得知子进程是正常退出还是异常终止，以及导致异常终止的原因。这对于父进程来说是很有价值的，可以根据返回值采取相应的后续操作，如重启子进程或记录异常日志等。

既然进程具有独立性，进程退出码也是子进程的数据，父进程怎么拿到的？

        至少要保留该进程的PCB信息，里面保留了任何进程退出时的退出结果信息。wait的本质就是读取了子进程的PCB

wait和waitpid就是系统调用

进程替换

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新程序替换，从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不是创建新进行，所以调用前后该进程的pid不变。

是通过特定的接口，加载磁盘上的一个全新的程序，加载到调用进程的地址空间中，让子进程执行其他的程序，并和当前进程的页表重新建立映射。

如果新程序替换成功，则原先的进程已经不存在，变成了全新的程序进程。如果原进程没有退出，那么新进程也不会执行。如果需要在运行新程序时保留原进程，可以使用fork创建子进程，然后在子进程中调用替换函数新程序，而父进程继续执行原程序。

详细说明：

1. execl
   • 函数原型：int execl(const char *path, const char *arg, …);
   • 功能：根据指定的程序路径执行一个新程序，并传递命令行参数作为参数。
   • 特点：需要给出新程序的完整路径，并以NULL作为参数列表的结束标志。
   • 示例：execl(“/bin/ls”, “ls”, “-l”, NULL);

2. execlp():

   • 函数原型：int execlp(const char *file, const char *arg, …);
   • 功能：根据文件名称在路径中执行指定的可执行程序，并传递命令行参数作为参数。
   • 特点：使用名称搜索可执行文件，搜索路径由系统环境变量PATH控制。
   • 示例：execlp(“ls”, “ls”, “-l”, NULL);

3. execle():

   • 函数原型：int execle(const char *path, const char *arg, …, char *const envp[]);
   • 功能：根据文件路径执行指定的可执行程序，并传递命令行参数和环境变量作为参数。
   • 特点：需要指定可执行程序的完整路径，并且需要传递环境变量参数。
   • 示例：execle(“/bin/ls”, “ls”, “-l”, NULL, envp);
4. execv
   • 函数原型：int execv(const char *path, char *const argv[]);
   • 特点：需要指定可执行程序的完整路径。
   • 功能：根据文件路径执行指定的可执行程序，并传递命令行参数作为参数。
   • 示例：execv(“/bin/ls”, argv);

5. execvp():

   • 函数原型：int execvp(const char *file, char *const argv[]);
   • 功能：根据文件名称在路径中执行指定的可执行程序，并传递命令行参数作为参数。
   • 特点：使用路径搜索可执行文件，搜索路径由系统环境变量PATH控制。
   • 示例：execvp(“ls”, argv);

6. execve():

   • 函数原型：int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);
   • 功能：根据文件路径执行指定的可执行程序，并传递命令行参数和环境变量作为参数。
   • 特点：需要指定可执行程序的完整路径，并且需要手动传递环境变量参数。
   • 示例：execve(“/bin/ls”, argv, envp);

#include 
int main()
{
    char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
    char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
    execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
    // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
    execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
    // 带e的，需要自己组装环境变量
    execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
    execv("/bin/ps", argv);
    // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
    execvp("ps", argv);
    // 带e的，需要自己组装环境变量
    execve("/bin/ps", argv, envp);
    exit(0);
}