Linux---进程控制

一、进程创建

fork函数

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，原进程为父进程

fork函数的功能：

• 分配新的内存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
• 添加子进程到系统的进程列表中
• fork返回，开始调度器调度 

fork函数的返回值：

• 子进程返回0
• 父进程返回子进程的pid
• 创建进程失败返回

 写实拷贝

在进程地址空间中，我们解释了父子进程的数据相同地址不同值的问题，那么现在我们来谈谈OS是具体怎么实现的，下面给大家画个草图

fork的常规用法

• 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

 二、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

为什么要介绍这个？因为系统创建进程本质是让进程去完成一些工作，那么系统当然有必要去了解工作的结果，如果成功了，那么万事大吉，如果代码错误，不管是代码运行完毕结果错误还是出现异常提前终止，操作系统都需要知道原因，那么如何知道进程失败的原因呢？

1.代码运行完毕，结果不正确

相信大家在写C语言的时候，main方法里总是会写return 0;这个语句，现在我们应该明白，其实这就是告诉父进程，该进程工作顺利完成，同时我们也或多或少在控制台的黑窗口中见过某某程序返回值不为0的情况。这些返回值统一叫做退出码，对应一些数字，而每一个数字对应一个字符串

当然这个退出码也是可以自定义的

这个和C语言中学的errno(错误码)这个全局变量很相似(大家可以去查查C的文档)，只不过退出码是记录进程跑完后的结果是否正确及错误的原因，错误码记录库函数/系统接口，即函数运行失败的原因

 2.代码异常终止

 上面两个程序都是异常终止，操作系统检测到进程异常通过信号直接杀掉进程(因为操作系统是进程的管理者)

 总结：

1.进程是否异常，看有没有收到信号

2.进程运行结果是否正确和错误的原因，看退出码

（进程异常结束后，退出码就没有意义了）

3.进程常见的退出方法

正常终止（可以通过echo $?查看进程的退出码）：

• 从main返回（执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数）---这里的return仅限于main函数中的，其他函数的return不具有结束进程的功能，这里就不做过多介绍了
• 调用exit（库函数）
• 调用_exit（系统接口）

1.exit---库函数

 2._exit---系统调用接口

上面的代码运行结果和exit一样，就是将exit函数换成了_exit函数，结论和上面一样

那么这两个函数有什么不同呢？我们来看下面这段代码

当结束进程时，exit函数会将缓冲区中的内容刷新，而_exit不会，这个现象其实可以推导出缓冲区不在操作系统中，因为exit就是封装的_exit，这个后面的章节会讲，这里先得出结论

三、进程等待

通过wait/waitpid，让父进程对子进程进行资源回收的等待过程

进程等待的原因：

1. 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，造成内存泄漏(进程一旦变成僵尸状态，就无法被杀死)
2. 父进程需要知道子进程的运行结果，通过进程等待获取子进程的退出信息---不是必须的，但是系统需要提供这样的功能

 如何进行等待？？？

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

代码一：

代码二：

上面两个代码说明两件事：

1.进程等待能回收子进程的僵尸状态

2.父进程必须在wait上进行阻塞等待，直到子进程运行结束变成僵尸状态，wait回收

2.waitpid方法

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

返回值：

1.正常返回收集到的子进程的进程ID

2.如果设置了选项WNOHANG，而发现没有子进程可收集，返回0

3.如果调用中出错，则返回-1，这时errno回被设置为相应的值来表明错误原因

参数：

pid：

1） -1，等待任何一个子进程，与wait等效

2）>0，等待进程ID和pid相等的子进程

status:

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：

1）0：默认阻塞等待

2）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

-----上面两个选项最重要，其他的options，请自行查阅文档

waitpid(-1,NULL,0)和wait(NULL)等价，这里就不演示了

下面来讲讲waitpid的后面两个参数（wait的参数和waitpid的第二个参数一样）

1.status

这个status输出型参数的值很奇怪，但是我将它用位运算分割成两个数字之后，我们就能理解了10是退出码，0代表进程没有出现异常，这个现象和它的底层设计有关

 将10和0带入上面的规则，就会发现status=2560

上面演示的是正常退出的情况，下面演示一个进程异常被杀死的情况

这里再次强调：当进程异常时，退出码就没有意义了！！！

(扩展：父进程等待子进程处于阻塞状态时，本质其实是父进程的pcb链入了子进程pcb的等待队列。父进程需要获取到子进程的退出状态就意味着子进程的pcb中存有这两个数字，而wait和waitpid函数作为系统调用接口，将输出型参数status用这两个数字拼接后返回)

当然如果你对status的组成不是很了解，也可以用WIFEXITED和WEXITSTATUS这两个宏替代

异常的情况就留给读者自己去实验了 

多个子进程的创建和等待

(这里仅是截取了最后的运行结果)

我们发现子进程的结束时间并非按创建的时间顺序，还是得看系统是如何调度的

2.options

0:阻塞等待，子进程不结束，不返回值，父进程只能一直等，不能做其他事情

WNOHANG:非阻塞等待，无论子进程是否结束，都返回结果，如果子进程结束，返回子进程ID，如果子进程没结束，返回0，一般需要重复调用，即轮询，父进程在等待时可以做自己的一些工作

 非阻塞等待：

 四、进程的程序替换

程序替换的用法和本质

当我们用fork创建子进程时，子进程执行的都是父进程代码块，如果我们要让子进程执行新的程序呢？即不再执行父进程的代码块，我们该怎么办？这就是程序替换的意义，我们用exec*这类的函数接口实现程序替换

下面，我们先来见识一下程序替换

我们在解决上面的问题之前，先看一下execl函数的声明

既然是替换程序，那么我们当然能执行被替换过来的ls命令，这个很容易理解，但是为什么第二个打印语句没有执行呢？因为代码被全部替换了，自然无法执行最后的打印语句。

那么代码被替换了，进程是不是也被替换了呢？

很显然，子进程的pid没有改变，也就是说没有创建新的进程，只是单纯的程序替换

（多进程的替换和写时拷贝原理一样，单一进程的程序替换就是将新程序覆盖原程序）

我们来说说这个execl函数的返回值，它只有在替换失败的时候才会右返回值，替换成功就没有返回值，其实想一想也确实合理，当它执行成功，后面的代码就不执行了，还要这个返回值干嘛呢？当然正常来说，它执行失败我们也不接收它的返回值，因为它执行任务失败我们直接结束进程就行

可能有人好奇它的返回值，这里演示一下

程序替换还有一些其他的接口，全是以exec开头的函数接口，如下

用法介绍

上面这些函数有兴趣可以自己回去试试，这里就不演示了，用法都很相似 

既然能替换系统命令，那么能不能替换成我们写的程序呢？毕竟系统命令本质也是我们写的程序

下面我们来试试看

很显然，我们用exec*这种类型的接口实现了对我们自己写的程序的替换

那么我们能不能用它对其他语言所写的程序进行替换呢？

当然可以，因为它是进程的程序替换，无论是什么语言在Linux中运行都会变成进程，那么同为进程，为什么只有C++写的程序能被替换呢？所以exec*接口也能替换其他语言写的程序

下面写个bash脚本语言给大家见识一下

 

环境变量

1.当我们进行程序替换的时候，子进程对应的环境变量，是可以直接从父进程继承来的，证明如下

当我们在调用mytest这个进程的时侯，本质是bash创建了一个子进程执行mytest这个程序，而后mytest中又创建了子进程process，而环境变量具有全局属性，所以bash的子进程都能继承这些环境变量，而一旦mytest继承了这些环境变量，同理process也同样能继承mytest的环境变量，这只是猜测，下面是实验证明

2.环境变量被子进程继承是一种默认的行为，不受程序替换的影响

在学习进程地址空间时，我们学过命令行参数和环境变量也在进程地址空间中，当我们创建子进程时，环境变量当然也自动随着进程地址空间拷贝给了子进程，而程序替换并没有改变环境变量，说明程序替换不会改变环境变量

3.子进程获得的环境变量有两种方法：

a.从父进程原封不动的传递给子进程---1）什么都不做   2）通过execle/execvpe传递环境变量表environ

b.我们也能用execle/execvpe传递我们自己写的环境变量

c.如果想新增一些环境变量给子进程，同上，在父进程中putenv

讲了这么多，还有一个函数没介绍

在见过exec*的众多函数接口后，我们会发现他们的功能基本一样，只是单纯的使用方式不同，其实他们本质都是对execve这个系统接口的封装，以适应不同的场景需求而已