【Linux】进程的进一步认识

在linux中fork函数时非常重要的函数，它从已存在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。

#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，内核做下面的工作：

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

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序

int main( void )
{
pid_t pid;
printf("Before: pid is %d\n", getpid());
if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);
printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
sleep(1);
return 0;
}
运行结果：看到了三行输出，一行before，两行after，其中10517既有before又有after，但10518却没有，为什么呢？因为fork之前，父进程独立执行，fork之后，父子进程两个执行流分别执行，但执行的先后顺序取决于调度器

fork函数的返回值

子进程的返回值为0
父进程的返回值为子进程的pid

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。具体见下图:

操作系统怎么知道什么时候要写时拷贝的呢？

首先将自己的读写权限改成只读，然后再创建子进程，但用户不知道这个过程！用户可能对某一批数据进行写入，这时页表便会因为权限问题出错，这时操作系统便可以介入了
出错的情况可能有两种：一种是真错了，第二种是误判，这种错误会触发重新申请内存

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

进程终止

进程的退出场景

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

进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

从main返回：main函数的返回值一般有三种：第一是代码运行完毕，结果正确，第二是代码运行完毕，结果错误，三是代码异常终止
调用exit
_exit

main中使用return

return退出：return是一种更常见的退出进程方法。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

_exit函数

参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值。ps：虽然status是int，但仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255。

exit函数

exit最后也会调用exit, 但在调用exit之前，还做了其他工作：

执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。
关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
调用_exit

异常退出：

ctrl + c，信号终止

退出码vs错误码

总的来说，退出码主要用于表示程序或命令的执行结果状态，而错误码则用于标识程序执行中的具体错误类型。退出码通常是整数值，用于表示成功或失败，而错误码则是用来描述错误的具体性质和原因。在实际编程中，这两个概念经常同时使用，以便更好地管理和处理程序执行过程中可能出现的各种情况。

退出码（Exit Code）：

退出码是一个整数值，用来表示一个程序或命令在执行完毕后的状态。
在 Unix/Linux 系统中，程序执行完毕后会返回一个退出码。通常情况下，0 表示成功完成，而其他非零值则表示出现了某种错误或异常情况。
退出码可以用来告诉调用者程序执行的结果，以便后续的处理或判断。比如在 Shell 脚本中可以根据不同的退出码进行条件判断和处理。

错误码（Error Code）：

错误码是用来表示程序执行中发生错误或异常情况时的特定代码或值，通常用于标识和区分不同类型的错误。
错误码可以是预定义的常量、枚举值，也可以是系统提供的标准错误码。通过错误码，程序可以更精确地了解发生的错误类型，从而进行相应的处理。
错误码通常用来指示具体的错误原因，帮助开发人员诊断和调试程序中的问题。

进程等待

什么是进程等待

通过wait/waitpid函数让父进程（一般）对子进程进行资源回收的等待

进程等待的必要性

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。父进程创建子进程，是为了让子进程来完成任务，而子进程将任务的完成的情况要想让父进程知道，要通过进程等待的方式，获取子进程的退出信息（信号编号、退出码）

wait和waitpid

如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
如果不存在该子进程，则立即出错返回。

wait函数

#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

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；
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。

获取子进程的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）

当一个进程因为收到信号退出了，看退出码便没有意义了
怎么判断是否因为信号退出？看退出码是否为零
如果手动杀掉子进程，也会反馈退出码

代码实例

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main( void )
{
 pid_t pid;
 if ( (pid=fork()) == -1 )
 perror("fork"),exit(1);
 if ( pid == 0 ){
 sleep(20);
 exit(10);
 } else {
 int st;
 int ret = wait(&st);
 
 if ( ret > 0 && ( st & 0X7F ) == 0 ){ // 正常退出
 printf("child exit code:%d\n", (st>>8)&0XFF);
 } else if( ret > 0 ) { // 异常退出
 printf("sig code : %d\n", st&0X7F );
 }
 }
}

正常退出
手动杀掉进程

除了手动得到退出码和状态码之外的方式

子进程退出会做什么

子进程退出的后，要修改进程状态为Z，并将子进程退出信号和退出码写入PCB中

为什么不用全局变量获取Status

因为进程之间具有独立性（不要觉得写在一份代码里就会混在一起），父进程无法直接获取子进程的退出信息

进程等待的方式

阻塞式：子进程不退出，wait/waitpid不返回
非阻塞式：如果等待的条件不满足，wait/waitpid不阻塞，而是立即返回
常常使用轮询+非阻塞方案进行进程等待。好处是在等待的过程中可以顺便做一下自己手上占据时间并不多的事情。

进程等待的代码实现

wait/waitpid等待方式的选择（原谅机翻）
进程的阻塞等待方式

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid < 0){
printf("%s fork error\n",FUNCTION);
return 1;
} else if( pid == 0 ){ //child
printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
sleep(5);
exit(257);
} else{
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5S
printf("this is test for wait\n");
if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){
printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
}else{
printf("wait child failed, return.\n");
return 1;
}
}
return 0;
}

进程的非阻塞式等待

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t pid;

pid = fork();
if(pid < 0){
printf("%s fork error\n",FUNCTION);
return 1;
}else if( pid == 0 ){ //child
printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
sleep(5);
exit(1);
} else{
int status = 0;
pid_t ret = 0;
do
{
ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待
if( ret == 0 ){
printf("child is running\n");
}
sleep(1);
}while(ret == 0);

if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){
printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
}else{
printf("wait child failed, return.\n");
return 1;
}
}
return 0;
}
三种返回值：大于零代表成功；等于零代表等待成功，但对方还没退出；小于零代表等待失败

进程程序替换

我们所创建的子进程所执行的代码都是父进程的一部分，如果我们想让子进程执行新的代码和访问新的数据呢？这就需要进程程序替换

替换原理

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。

替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数

#include <unistd.h>`
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

函数解释

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。
如果调用出错则返回-1
所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

函数名的解释

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

exec_调用实例

#include <unistd.h>
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);
}

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册第2节,其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示

程序替换的相关知识

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中来的
父进程的环境变脸来自于bash
环境变量被子进程继承下去是一种默认的行为，不受程序替换的影响。并且是通过地址空间来让子进程继承父进程的环境变量