Linux第四节：进程控制

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一、进程创建

1.1 fork函数

1. fork函数有两个返回值问题
返回的本质就是写入！所以，谁先返回，谁就先写入id，因为进程具有独立性，会发生写时拷贝，父进程和子进程各自指向return语句。

2. fork返回后，给父进程返回子进程pid，给子进程返回0
一个子进程有且仅有一个父进程，使用子进程找到父进程很简单；但是使用父进程找子进程很麻烦，必须要有子进程相关的数据。

3. 同一个id值，会保存两个不同的值，同时让if 和else if 执行
在fork函数中，当子（父）进程尝试写入数据，操作系统会进行数据拷贝到新的区域、更改该区域对应页表、再让进程修改数据，为了保证进程的独立性。这时就会出现对同一个变量的同一个虚拟地址，会有两个不同输出值。（写时拷贝）

所以，调用fork函数之前，父进程独立执行；调用fork之后，父子两个执行流分别执行。 fork 之后，谁先执行，完全由调度器决定。

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1.2 写时拷贝

通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。如下图：

在这个过程中，子进程改变没有影响父进程。写时拷贝：写的时候进行拷贝。
虚拟地址空间+页表 用于保证进程的独立性；一旦有执行流想要写入代码或数据，就会发生写实拷贝。

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1.3 fork用法

1. 父进程希望复制自己,使父子进程同时执行不同进程
2. 一个进程要执行一个不同的程序。例如：子进程从fork 返回之后，调用 exec 函数。

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1.4 fork调用失败

1. 系统中有太多进程
2. 达到实际用户的进程数超过了限制

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二、进程终止

2.1 进程退出码

在自己写C/C++ 代码时，最后总是写一个 return 0 。在系统中，这个语句是：进程退出时，对应的退出码。用于标定进程执行的结果是否正确。

写代码是为了完成某件事，可是在代码执行结束后，我怎么知道代码跑的结果对不对呢？—进程退出码

./mytest # 运行一个进程 
echo $? # 永远记录最近一个进程在命令中执行完毕时对应的退出码（main->return ?;）

如果我们不关心进程退出码，直接return 0 就好了；如果关心进程退出码，就要返回特定数据表明特定错误。退出码的意义：0—成功； !0—表示失败。
一般而言，退出码都有对应的文字描述。可以自定义，也可以使用系统的映射关系（不太频繁）

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2.2 进程退出场景

进程退出一共只有三种

1. 代码跑完了，结果正确—return 0
2. 代码跑完了，结果不正确–return !0
3. 代码没跑完，程序异常了，退出码无异意义

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2.3 进程如何退出（结束）

1. 从 main 函数返回
2. 任意地方调用 exit — 库函数；在进程终止之后会主动刷新缓冲区
3. _exit 终止进程 — 系统调用；在进程终止之后不会刷新缓冲区

这里的缓冲区是指—用户级缓冲区（基础IO细讲）

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三、进程等待

之前讲过，进程状态有一个 Z状态 —会造成进程泄露；我们通过进程等待解决僵尸进程问题。

3.1 进程等待的方法

1. wiait 方法
   #include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h> 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，不关心则可以设置为 NULL。

2. waitpid 方法
   bash 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。

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3.2 再谈进程退出

1. 进程退出，该进程会变成僵尸程序------会把自己的退出结果写入到自己的 task_struct 。
2. wait/waitpid 是一个系统调用 —>OS—>OS有资格也有能力去读取子进程的 task_struct 。
3. 所以退出结果是操作系统从 task_struct 中读取到的。

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3.3 非阻塞式等待

1. WNOHANG 非阻塞---->子进程没有退出，父进程检测后立即返回，继续自己的任务。
2. waitpid 调用成功&&子进程没有退出：我的 waitpid 没有等待失败，仅仅是监测到了子进程没有退出，父进程立即返回。
3. waitpid 调用成功&&子进程退出：父进程回收子进程。
4. waitpid 调用失败：返回值为 -1。
5. 非阻塞等待不会占用父进程所有时间，在轮询期间可以处理其他任务。

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3.4 进程等待小结

1. 是什么：通过系统调用，让父进程等待子进程的一种方式。
2. 为什么：释放僵尸子进程、获取子进程状态 。
3. 怎么办：使用 wait 或 waitpid 函数。

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四、进程替换

（引子）创建子进程的目的是什么？

1. 想让子进程执行父进程代码的一部分（执行父进程对应的磁盘代码中的部分）
2. 想让子进程执行一个全新的程序（让子进程想办法，加载磁盘上指定的程序，执行新程序的代码和数据）
   我们把“加载磁盘上指定的程序，执行新程序的代码和数据”叫做进程的程序替换

4.1 替换原理

1. 调用 exec 系列函数进行程序替换，本质就是讲指定程序的代码和数据加载到指定位置，覆盖自己的代码和数据。
2. 程序替换没有创建新的进程。
3. 在调用程序替换函数后，函数后续的代码就无法执行，被替换掉了。
4. exec 系列函数没有调用成功的返回值，调用成功了就和接下来的代码没关系了（第三点），所以该函数调用后只要有返回，就一定是出错了。

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4.2 替换函数

常用的以 exec 开头的函数：

#include <unistd.h>// l->list:将参数一个一个的传入exec*。
int execl(const char *path, const char *arg, ...); 
// p->path:如何找到程序的功能，带 p 字符的函数，不用告诉我程序的路径。
//你只要告诉我程序的名字，我自己会到系统中去找。
int execlp(const char *file, const char *arg, ...); 
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);// v->vector:可以将所有的执行参数，放入数组中，统一传递，而不用进行使用可变参数方案.
int execv(const char *path, char *const argv[]);
// e->envp:环境变量
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, const char *argv[], char *const envp[]);

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4.3 试验

我们可以综合前面的知识，做一个简易的shell。
放在后面单独写一篇文章。