Linux环境编程之进程(四)：创建新进程、执行程序和进程终止

引言：

对于每个进程，都有一个非负整数表示的唯一进程ID。虽然进程的ID是唯一的，但却是可重用的。系统中有一些专用的进程。如ID为0的进程通常是调度进程，也成交换进程或系统进程（它是内核进程）。进程ID为1通常是init进程，它是一个普通的用户进程。一些与进程ID有关的函数：

#include <unistd.h>

pid_t getpid(void);   //返回值：调用进程的进程ID

pit_t getppid(void); //返回值：调用进程的父进程ID

uid_t getuid(void); //返回值：调用进程的实际用户ID

uid_t geteuid(void); //返回值：调用进程的有效组ID

gid_t getgid(void); //返回值：调用进程的有效用户ID

git_t getegid(void); //返回值：调用进程的有效组ID

（一）

一个现有进程可以通过调用fork函数创建一个新的进程。由fork创建的新进程被称为子进程。fork函数被调用一次，但返回两次。两次返回的唯一区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新的子进程的进程ID。子进程和父进程继续执行fork调用之后的指令。子进程是父进程的副本。例如，子进程获得父进程数据空间、堆和栈的副本。注意，这是子进程所拥有的副本。父子进程并不共享这些存储空间部分。父子进程共享正文段。由于在fork之后，经常跟随者exec，所以现在的很多实现并不执行一个父进程数据段、栈和堆的完全复制。作为替代，使用写时复制技术。

fork的一般使用形式如下：

if((pid = fork()) < 0){ // 用fork创建新进程
	printf("fork error");
}else if(pid == 0){
	//子进程的操作
}else{
	//父进程的操作
}

父、子进程之间的区别是：

fork的返回值不同；进程ID不同；两个进程具有不同的父进程ID：子进程的父进程ID是创建它的进程的ID，而父进程的父进程ID则不变；子进程的tms_utime、tms_stime、tms_cutime和tms_ustime均被设置为0。父进程设置的文件锁不会被子进程继承。子进程的未处理的闹钟被清除。子进程的未处理信号集设置为空集。

子进程除了继承了父进程打开的文件外，还包括：实际用户ID、实际组ID、有效用户ID、有效组ID，附加组ID、进程组ID、会话ID，控制终端、存储映射等等。

通常情况下fork都会成功，但也有可能失败。使fork失败的两个主要原因是：1、系统中已经有了太多的进程，2、该实际用户ID的进程总数超过了系统限制。

fork有下面两种用法：

1、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。这在网络服务进程中是常见的——父进程等待客户端的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求到达。

2、一个进程要执行一个不同的程序。这对shell是常见的情况。这种情况下，子进程从fork返回后立即调用exec。

除了fork创建一个新进程外还有vfork同样用来创建一个新进程：

vfork函数的调用序列和返回值与fork相同，但两者的语义有如下几点不同：

1、vfork用于创建一个新进程，而该新进程的目的是exec一个新程序。

2、vfork与fork一样都创建一个子进程，但它并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec（或exit），于是也就不会存访该地址空间。

3、vfork与fork之间的另一个区别是：vfork保证子进程先运行，在它调用exec或exit之后父进程才可能运行。

（二）

进程是有生命周期的，从其被创建到终止，就是其生命周期。进程的终止有8种方式，5种正常终止方式、3种异常终止方式。不管进程如何终止，最后都会执行内核中的同一段代码。这段代码为相应进程关闭所有打开描述符，释放它所使用的存储器等。

不管是正常终止还是异常终止，我们都希望终止进程能够通知其父进程它是如何终止的。对于三个终止函数（exit、_exit和_Exit），实现这一点的方法是，将其退出状态作为参数传送给函数。在异常终止情况下，内核（而不是进程本身）产生一个指示其异常终止原因的终止状态。在任意一种情况下，该终止进程的父进程都能用wait或waitpid函数去的终止状态。注意：这里使用了“退出状态”和“终止状态”两个术语，以表示有所区别。在最后调用_exit时，内核将退出状态转换成终止状态。

关于进程的终止及退出状态，要注意一下几点：

1、子进程在父进程调用fork后生成，子进程将其终止状态返回给父进程。但如果父进程在子进程之前终止，则，对于父进程已经终止的所有进程，他们的父进程都改变为init进城。称这些进程被init进程领养。操作过程如下：在一个进程终止时，内核逐个检查所有活动进程，以判断它是否是正要终止进程的子进程，如果是，则将该进程的父进程ID更改为1。

2、如果子进程在父进程之前终止，那么父进程又如何能在做相应检查时得到子进程的终止状态呢？答：内核为每个终止进程保存了一定量的信息，所以当终止进程的父进程调用wait或waitpid时，可以得到这些信息。这些信息至少包括进程ID、该进程的终止状态、以及该进程使用的CPU时间总量。内核可以释放终止进程所使用的所有存储区，关闭其所有打开文件。一个已经终止、但是其父进程尚未对其进行善后处理的进程称为僵死进程。

3、一个由init进程领养的进程终止时会发生什么?它会不会变成一个僵死进程？不会。因为init被编写成无论何时只要有一个子进程终止，init就会调用一个wait函数去的其终止状态。当提及“一个init的子进”时，这指的可能是init直接产生的进程，也可能是其父进程已终止，由init领养的进程。

（三）

当一个进程正常或异常终止时，内核就向其父进程发送SIGCHLD信号。因为子进程终止是个异步事件，所以这种信号也是内核向父进程发的异步通知。父进程可以选择忽略该信号，或者提供一个该信号发生时即被调用执行的寒素（信号处理程序）。系统默认是忽略它。现在需要知道的是调用wait或waitpid的进程可能发生什么情况：

1、如果其所有子进程都还在运行，则阻塞。

2、如果一个子进程已终止，正等待父进程获取其终止状态，则取得该子进程的终止状态立即返回。

3、如果它没有任何子进程，则立即出错返回。

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/wait.h>
       pid_t wait(int *status);
       pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);  // 返回值：若成功则返回进程ID，0，若出错则返回-1

两个函数的区别是：

1、在一个子进程终止前，wait使其调用者阻塞，而waitpid有一个选项，可使调用者不阻塞。

2、waitpid并不等待在其调用之后的第一个终止子进程，它由若干选项，可以控制它所等待的进程。

函数的参数status是一个整型指针。如果status不是一个空指针，则终止进程的终止状态就存放在它所指向的单元内。如果不关心终止状态，则可将该参数指定为空指针。检查wait或waitpid所返回的终止状态的宏有4个：WIFEXITED(status)、WIFSIGNALED(status)、WIFSTOPPED(status)、WIFONTINUED(stauts)。

waitpid函数提供了wait函数没有提供的三个功能：

1、waitpid可等待一个特定的进程，而wait则返回任一终止子进程的状态。

2、waitpid提供了一个wait的非阻塞版本。有时用户希望取得一个子进程的状态，但不想阻塞。

3、waitpid支持作业控制。