【Linux】进程控制基础知识

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：自进程中返回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当中；

fork返回，开始调度器调度。

由于前面已经出现了fork的理解，这里不做详解。

前面地址空间章节（【Linux】地址空间概念_花果山~~程序猿的博客-CSDN博客）我们已经初步了解了在创建子进程时，系统会采用写时拷贝这项决策，我们可以反向思考，如果系统直接拷贝一份给子进程呢？我们知道进程 = 内核数据结构 + 代码&数据，进程一旦被创建，代码是处于只读的状态，但数据可以转为可写，这样我们为啥不拷贝一份数据给子进程？因为系统是不知道那些数据是要被使用的，所以拷贝一份不怎么被使用的数据会导致内存利用率下降。

所以关于为何OS选择写时拷贝技术，对父子进程进行分离？

1.用的时候，给子进程分配，是一种高效的内存表现。

2.系统在执行代码时，无法的知道那些内存会被访问。

数据修改前后：

结论：在计算机系统中，当父进程创建子进程时，子进程会继承父进程的代码和数据。初始时，这些代码和数据的权限是只读的。当子进程需要修改这些代码和数据时，会进行写时拷贝操作，即将需要修改的部分数据的权限从只读变为可写。

二，进程终止

1.进程终止，操作系统做了什么？

进程终止，操作系统释放进程所申请的内核数据机构，代码和数据，其本质上就是内存释放。

2.进程终止，常见的方式

1.main函数的，return + 返回码

我们在编写一个C/C++程序时，运行起来，会有以下情况：

（a，代码跑完，结果正确；

(b，代码跑完，结果不正确；

我们在编写main函数时，往往都会返回一个0（不总是0），这是进程退出码，是提供给上一级父进程的，如果返回的不是0就代表结果不正确；反之，正常退出，则返回0；

补充：获取上一次进程退出码指令 echo $?

那main()函数返回值有什么意义呢？

当我们在shell脚本中调用一个程序时，可以通过检查该程序的main函数返回码来确定程序是否成功执行。如果返回码为0，则表示程序执行成功；而如果返回码为其他非零值，则表示程序执行失败或出现错误。通过这种方式，我们可以根据main函数的返回码来进行后续的处理（意味着得程序跑完，才会有后续处理），例如输出相应的提示信息或进行错误处理（比如：strerror()函数的错误原因）。（来自chatgpt）

(c，代码未跑完，程序奔溃。（这里在信号部分讲解）

2. exit()函数

exit在代码任何地方调用，都会终止进程。这里补充一个系统层面的接口_exit()

接下来我们来实验一下两者的区别：

行缓冲区，如果我们不添加换行符，打印数据会先存放到缓存区，在进程结束后刷新到显示器。

cpp 复制代码

    int main()
  6 {
  7   cout << "lisan";
  8   sleep(3);
  9   exit(11); // _exit(11);                                     
 10   return 0;                    
 11 }                              
 12

尝试两个函数，_exit()函数在进程退出时不会打印lisan,下面是原因示意图。

由于_exit()直接终止程序，所以缓冲区的数据没有被刷新出。那这里我们会想缓冲区在那里呢？我们知道_exit()是操作系统的接口，exit()是库函数，因此我们可以大概猜到管理缓冲区的程序在操作系统之上。

三，进程等待

为什么需要进程等待？父进程需要拿到一个数据，创建子进程，等待子进程返回数据，父进程才能进入下一步操作。以及，子进程退出，如果父进程提前退出，子进程则变成僵尸进程，造成内存泄露。

总之；

之前讲过，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。
另外，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。
最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，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。

执行下面程序：

cpp 复制代码

        int main()
  6 {
 12     pid_t pd = fork();
 14     if (pd < 0)
 15     {
 16       // 程序失败
 17       perror("fork ");
 18     }else if(pd == 0)
 19     {
 20       // 子进程
 21       int a = 5;
 22       while(a--)                                                   
 23       {
 24       printf("是子进程：getpid:%d,getppid:%d\n",getpid(), getppid()    );
 25       sleep(1);
 26       }      
 27     }else{
 28       // 父进程
 29       while(1)
 30       {
 31       printf("是父进程：getpid:%d,getppid:%d\n",getpid(), getppid()    );
 32       sleep(1);
 33       }   
 34     }
 35 }

那我们如何接收进程呢？（虽然父进程提前结束，子进程会被操作系统领养，回收，这种思路：是一种编程思路，我们以后会学习到）

1. 回收进程方法

（1. wait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, 不关心则可以设置成为 NULL

补充理解：僵尸进程与内存泄露区别

我们知道子进程一旦进入僵尸状态，其代码和数据虽然可以被释放，但其PCB（task_struct）的内核数据结构会被保留，如果操作系统一直不回收那么也属于内存泄露；在我们编写的应用程序中，我们通过new,malloc向堆区申请的内存，需要我们在使用完后进行释放，否则会造成内存泄露。理解：

这两种泄露前者是操作系统级别的，后者是进程中，后者进程退出，系统回收内存，不存在内存泄露；前者操作系统不处理僵尸进程的PCB是永远回收不了这些内存的。

（2.waitpid函数

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；

a,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。

补充一点关于status的知识 ，我们知道其是用来记录子进程返回码的，同时我们也知道程序运行结束会有三种情况：

那怎么从status上表达这不同情况？

b, 参数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------小端机器）
32位，我们学习前15位

所以我们怎么取得退出状态？？

（status >> 8) & 0xff // 0xff -> 0000 0000....1111 1111保留最后8个比特位

这是进程正常结束，那进程异常结束呢？我们知道进程异常退出，其实是系统杀掉了进程，系统向进程发送杀掉信号。进程一但异常退出，那么其进程返回码就失去了意义。

所以如何获取这个信号呢？

(status >> 7) & 0x7F // 0000... 111 1111 保留最后7个比特位，（注意：如果status如果已经进行位向右移，这次的位运算是会在上次的基础上向右移）

进程异常结束，不都是进程内部代码问题，也有可能是外部原因，比如：kill -9 杀死进程，错误消息就是9

但是，这个还得知道status的组成，然后需要进行位运算，这个了解还行，但使用长期下来不方便，因此，为了使用方便提供了如下：

常用获取进程退出情况（推荐）

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）

补充：

c, 参数options

option默认为0，表示子进程运行时，父进程为阻塞等待； WNOHANG 参数，是一个宏定义，表示父进程为非阻塞状态。(WNOHANG理解：HANG是一种专业的术语，如果一个进程卡死，这个进程要么在阻塞队列中，要么等地被调度，所以称作这个进程HANG住了。所以NOHANG就是非阻塞等待)

Linux由C语言编写，wait本质上是系统中的一个函数，我们通过一个伪代码来理解：

那非阻塞等待，难道是不等待子进程？本质上，非阻塞等待是基于非阻塞调用的轮询方案，说人话是，我找张三帮忙，张三说在忙，我先做我的事，然后每过一分钟给他打个电话，查看他是事是否做完。

四，进程替换

1，概念与原理

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。（意味着调用exec不会创建新的子进程）

2，进程替换方法

方法：通过execl函数

我们问问man

今天我们来学习最简单的execl。

int execl (const char* path, const char* arg, ...) // 路径，命令行上该怎么写就怎么写

path : 目标程序的地址+路径

arg: 函数参数

... : 的意思是可变参数列表，注意点：参数列表必须以NULL结尾，这表示参数提取结束。

下面是例子：

从上面的观察中发现：

进程替换后，"进程结束"没有打印，这一点可以佐证，一旦execl函数调用成功，原来进程的代码和数据全部被替换为新进程。

如果execl调用失败，继续原来进程，不过这时可以直接终止进程。

3. 尝试fork + execl函数

看下面代码：

cpp 复制代码

  1 #include <iostream>
  2 #include <unistd.h>
  3 #include <sys/types.h>
  4 #include <sys/wait.h>
  5 using namespace std;
  6 
  7 int main()
  8 {
  9    pid_t pd = fork();
 10    if (pd == 0)
 11    {
 12     // 子进程
 13      cout << "子进程开始, pid:" << getpid() <<  endl;
 14      execl("/usr/bin/ls", "ls","-l", "-a", "--color=auto", NULL);
 15      exit(-1);
 16 
 17    }else if (pd)
 18    {
 19      // 父进程
 20      int status = 100;
 21      cout << "父进程开始" << endl;
 22      pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);                               
 23      if (ret)
 24      {
 25        cout << "子进程退出，打印子进程退出码:" << WEXITSTATUS(status) <<    endl;
 26      }else 
 27      {
 28        cout << "子进程未退出" << endl;
 29      }
 30 
 32    }
 33    else 
 34    {
 35      cout << "创建子进程失败" <<endl;
 36    }
 37   return 0;
 38 }

结果：

问：为什么要创建子进程来替换呢？
答：为了实现父进程读取数据，分析数据，然后指派子进程去完成某项任务的思想。
问：父子进程代码共享，数据写时拷贝？那execl函数替换进程了呢？代码是否会进行写时拷贝？
答：会，因为如果父子进程共享，在调用execl函数时，会对代码进行写时拷贝，否则父进程会受到影响。

其他函数补充：

进程替换函数其实还是有挺多接口的，如下：

execv 函数，使用一图流如下：
execlp函数，
execvp函数，这个就挺容易用的，可以这么理解，指令方式以Vector存储，并且"P"省略文件路径，自动搜索环境变量。
execle函数，"e"表示的则是环境变量的意思，通过传递环境变量给新程序，可以在新程序中使用这些环境变量的值。例如，可以通过设置环境变量来影响新程序的行为，或者传递一些需要在新程序中使用的配置信息。

下面是一个示例，展示了如何使用execle函数传递环境变量：

cpp 复制代码

#include <unistd.h>

int main() {
    char *envp[] = {"MYVAR=Hello", "OTHERVAR=World", NULL};
    execle("/path/to/program", "/path/to/program", NULL, envp);
    return 0;
}

在上面的示例中，我们定义了两个环境变量MYVAR和OTHERVAR，并将它们传递给新程序。新程序可以使用getenv函数来获取这些环境变量的值。

需要注意的是，使用execle函数时，必须传递完整的环境变量数组，包括系统默认的环境变量。如果只想传递自定义的环境变量，可以使用execve函数(这是真正的系统调用，其他exec**函数都只是封装)，并将environ变量作为参数传递给它。（来自chatgpt）

这里有个值得注意的点，即使是进程替换，环境变量是系统方面的数据，子进程会拷贝一份父进程的环境变量，且不会被替换。

命名总结：
这些函数原型看起来很容易混 , 但只要掌握了规律就很好记。

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

4. 如何利用execl函数运行其他可执行程序

诺，下面是我在Test程序上调用mypro程序。

makefile: 可以做到一次编译多个文件。

最右侧的图，运用到了命令行参数，可参考本博客中命令行参数部分【Linux】进程基础概念【下篇】-CSDN博客

到这里我们，我们可以理解exec***函数的功能------底层加载器的接口

五，练习------制作一个简单的shell命令解释器

目标：

制作一个能读取，并执行指令的shell。

shell执行命令：

1. 制作框架方面：

我们需要制作一个死循环，不断的接收指令。

cpp 复制代码

// 属于是死循环
   13   while (1)
   14   {
   15     // 首先是打印地址
   16     cout << "[afeng@_myshell]$ ";
   17     fflush(stdout); // 解决缓冲区的问题
        }

我们可以简单打印一个shell名，但不能换行，但不能换行，就会有缓冲区的问题，通过fflush函数刷新即可。

2. 接收，并处理指令

不能使用cin, scanf 因为，指令伴随空格，cin，scanf遇到空格提前结束输入，这里我们采用可以接收空格字符的函数，比如：getline, 输入流函数fgets。我们首先将指令保存到指针数组中，由于我们只是简单制作一个shell,所以指令程序我们选择调用，而选择调用我们就要进行进程替换。（说到这里我们需要区分的是，我们利用子进程替换仅仅是为了启动其他程序，父进程的未层修改。）使用进程替换函数exec***，我们就得将指令分割下来。

cpp 复制代码

    // 然后开始接收指令
   20     char instruct[NUM];
   21     memset(instruct, '\0', sizeof instruct);
   22     if (fgets(instruct, sizeof instruct, stdin) == NULL)
   23     {
   24       continue;
   25     }
   26     instruct[strlen(instruct) - 1] = '\0';
          // 在输入指令后，我们会通过回车键确认，但回车键被当做'\n'记录，所以需要纠正。
   27 
   28     // 开始拆分出指令
   29     char* argv[100] = {0};
   30     argv[0] = strtok(instruct," ");
   31     int i = 1;                                                        
W> 32     while (argv[i++] = strtok(NULL, " "));

3. 子进程替换，父进程等待

接下来就是子进程与父进程的编写，子进程替换，我们知道我们在Linux中能不带路径的执行相应指令的基础是其路径已经存在环境变量中，所以系统会自动搜索。

cpp 复制代码

36     // 内置命令 1.我们通过子进程替换打印我们需要的结果，父进程不受影响
   37     // 当需要更改路径时，目标是父进程
   38     if (strcmp(argv[0],"cd") == 0)
   39     {
   40         if (argv[1] != NULL)
   41           chdir(argv[1]);
   42         continue;
   43     }
   44 
   45     pid_t pd = fork();
   46     if (pd == 0) // child
   47     {
   48       execvp(argv[0], argv);
   49       exit(-1);                                                       
   50     }
   51     else{
   52       // parent
   53       int status;
   54       pid_t ret = waitpid(pd, &status, 0);
   55       if (ret > 0 )
   56       {
   57         cout << "子进程运行成功，退出码:" << WEXITSTATUS(status)<< endl;
   58       }else{
   59         cout << "子进程运行失败,退出码:" << WEXITSTATUS(status)<< endl;
            }
   61     }
   62   }
   63   return 0;
   64 }

结语

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