【Linux】开始掌握进程控制吧！

送给大家一句话：
我并不期待人生可以一直过得很顺利，但我希望碰到人生难关的时候，自己可以是它的对手。------ 加缪

开始学习进程控制

• [1 前言](#1 前言)
• [2 进程创建](#2 进程创建)
• • [2.1 fork函数初识](#2.1 fork函数初识)
  • [2.2 fork函数返回值](#2.2 fork函数返回值)
  • [2.3 写时拷贝](#2.3 写时拷贝)
  • [2.4 fork常规用法](#2.4 fork常规用法)
  • [2.5 fork调用失败的原因](#2.5 fork调用失败的原因)
• [2 进程终止](#2 进程终止)
• • [2.1 终止是在做什么](#2.1 终止是在做什么)
  • [2.2 进程终止的情况](#2.2 进程终止的情况)
  • [2.3 如何终止](#2.3 如何终止)
• [3 进程等待](#3 进程等待)
• • [3.1 进程等待必要性](#3.1 进程等待必要性)
  • [3.2 进程等待的方法](#3.2 进程等待的方法)
  • • wait方法
    • waitpid方法
• [4 总结](#4 总结)
• Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
• 下一篇文章见！！！

1 前言

通过对进程的学习，我们对虚拟地址，页表，物理地址有了大概认识。我们平时使用的地址都是虚拟地址，通过页表可以访问物理地址（统一的视角进行控制，保证数据安全）。也认识到写时拷贝。

也认识O(1)调度算法，通过两个队列（活跃队列，过期队列）完成进程的分时控制，通过优先级来放入不同位置，以时间复杂度O(1)快速寻找进程。

2 进程创建

2.1 fork函数初识

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。fork函数具有两个返回值，通过对返回值的判断(if else )可以进行父进程和子进程的不同书写。

注意：进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做以下工作：

1. 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
2. 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程（进程：内核的相关数据管理的数据结构（task_struct + mm_struct + 页表）+ 代码与数据）
3. 添加子进程到系统进程列表当中
4. fork返回，开始调度器调度

这里是为了保证父进程和子进程的独立性。

2.2 fork函数返回值

• 子进程返回0
• 父进程返回的是子进程的pid

那为什么父进程返回子进程PID ，给子进程返回0呢？？？

很好理解：就像现实生活中，父母有了孩子，会给他或她起一个名字，父母知道了名字，就可以很好管理孩子。父进程与子进程同理，父进程为了便于管理子进程，所以fork函数会返回对应子进程的pid。

2.3 写时拷贝

通过图解可以很好理解写时拷贝。

在创建子进程的时候，子进程的页表映射与父进程一致（默认继承的），一旦子进程要进行修改数据，为了保证进程的独立性（保证父进程安全运行），不得不开辟一个新空间，并修改子进程页表的映射(虚拟地址不变！)。

2.4 fork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。

一般使用if else 分开书写，也可以通过系统调用打开新的进程。

2.5 fork调用失败的原因

1. 系统中有太多的进程（数据空间是有限的）
2. 实际用户的进程数超过了限制（必须是有限的）

2 进程终止

2.1 终止是在做什么

进程终止会进行：

1. 释放曾经的代码和数据所占据的空间
2. 释放内核数据结构

但是task_struct会延期处理，因为终止的进程处于Z状态（僵尸进程）

2.2 进程终止的情况

我们的main函数常常会有一个返回值 0 ，那为什么要返回零呢？？？

  1 #include<stdio.h>  
  2 #include<unistd.h>  
  3 #include<string.h>  
  4   
  5 
  6 int main()
  7 {
  8    
  9   printf("I am parent process,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
 10   sleep(2);
 11    
 12   return 100;                                                                                                                                                                 
 13 }  

来看我们返回100（为了效果明显）时

echo 打印的是bash 的环境变量，这个100 就是刚才进程返回到父进程（bash）的退出码（环境变量 ？表示最近一个进程的退出码）,一般0表示正常运行，非零表示有问题。

父进程关心子进程的信息，想要知道子进程是否正常运行。不同的退出码表示不一样的失败原因，我们来获取一下：

    1 #include<stdio.h>
    2 #include<unistd.h>
    3 #include<string.h>
    4 
    5 int g_val = 10000;
    6 
    7 int main()
    8 {
    9   
   10   for(int errcode = 0 ;errcode <=255; errcode++)
   11   {
   12     printf("%d: %s\n",errcode,strerror(errcode));
   13                                                                                                                                                                             
   14   }                                                                                                                                                
   15   printf("I am parent process,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());                                                                               
   16   sleep(1);                                                                                                                                        
   17                                                                                                                                                    
   18   return 0;                                                                                                                                        
   19 }     

这样就可以获取所有的退出码和对应的退出信息了：

通过退出码就能获取对应退出信息，来告知用户为什么退出了。其底层实现也好理解，通过数字与字符串的一一对应来做到。

常见进程退出场景：

1. 代码运行完毕，结果正确（正常结束进程）
2. 代码运行完毕，结果不正确
3. 代码异常终止，出现异常提前退出

就像：VS编程运行的时候，如果崩溃了 --- 操作系统发现你的进程做了不应该做的事情，OS就杀死进程！！！

一旦出现异常，退出码就没有意义了！！！ 为什么出异常才是最重要的！！！

那为什么会出现异常呢？？？ 原因是：进程出现异常的本质是进程收到来自OS发给进程的信号！(kill -9 就是一个信号)

注意：

• 先确认是否异常
• 不是异常就是代码正常跑完，看退出码即可。
• 可以通过退出信号来判断出现了什么异常

2.3 如何终止

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

1. 从main函数return，表示进程终止
2. 调用exit
3. _exit
   异常退出 ：
   ctrl + c，信号终止

来看手册中如何描述的：

调用exit 函数试试：

  1 #include<stdio.h>  
  2 #include<unistd.h>  
  3 #include<string.h>  
  4 #include<stdlib.h>
  5 int g_val = 10000;  
  6   
  7 int main()  
  8 {  
  9   
 10   printf("I am parent process,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
 11   sleep(1);
 12   exit(123);                                                                                                                                                                  
 13                                                                                                                                     
 14 }                                                                                                                                                
 15    

运行后是这样的效果：

exit比return 直接，调用一次就可以完全退出！

_exit 是一个系统调用（system call），参数与exit一致，使用与exit几乎一模一样。

**但是exit会冲刷缓冲区，而_exit 不会,**因为缓冲区在系统调用之上 ，而exit 是一个C语言库函数。图解：

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

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

3 进程等待

3.1 进程等待必要性

• 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

也就是说，任何进程在退出时都要被父进程进行等待，不然子进程处于僵尸进程就会造成内存泄漏！！！

3.2 进程等待的方法

1. wait方法
2. waitpid方法

• 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

我们测试一下：

  1 #include<stdio.h>                                          
  2 #include<unistd.h>                                         
  3 #include<string.h>                                         
  4 #include<stdlib.h>                                         
  5 #include<sys/types.h>                                      
  6 #include<sys/wait.h>                                       
  7                                                            
  8 void Childrun()                                            
  9 {                                                          
 10   int cnt = 5;                                             
 11   while(cnt)                                               
 12   {                                                        
 13     printf("I am child ,pid:%d,ppid:%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);
 14     sleep(1);                                              
 15     cnt--;                                                 
 16   }                                                        
 17 }                                                          
 18                                                            
 19 int main()                                                 
 20 {                                                          
 21                                                            
 22   printf("I am father ,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
 23                                                            
 24   pid_t id = fork();                                       
 25   if(id == 0)                                              
 26   {                                                        
 27     //child                                                
 28     Childrun();                                            
 29     printf("child quit...\n");                             
 30     exit(0);                                               
 31   }                                                        
 32   //father                                                 
 33   sleep(10);                                               
 34   pid_t rid = wait(NULL);                                  
 35   if(rid > 0)                                              
 36   {                                                        
 37     printf("wait success,rid:%d\n",rid);                   
 38   }                                                        
 39   sleep(3);                                                                        
 40   return 0;                                                  
 41 }   

这个程序会在子进程运行结束前等待子进程,并且会存在一段时间的窗口期，此时子进程处于僵尸进程：

在这个父进程等待的过程中，父进程一直在等待子进程的退出，处于阻塞等待状态。父进程本质是等待某种软件条件就绪，那么如何理解阻塞等待子进程呢？？？

就是把自己列入等待队列，把状态列入不运行状态，等待子进程（类似scanf 的阻塞）。

waitpid方法

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

注意其中的三个参数！

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

pid_t rid = waitpid(-1,NULL,0); 与刚才的wait等价！！！如果id不为-1，是一个对应的id,那么就会等待指定进程！！！，如果id错误（不存在该进程），就会发生等待错误！！！
status 是一个输出型参数，需要我们传入一个指针来获取。来测试一下（子进程退出码设置为1 ）

  1 #include<stdio.h>                    
  2 #include<unistd.h>                   
  3 #include<string.h>                   
  4 #include<stdlib.h>                   
  5 #include<sys/types.h>                
  6 #include<sys/wait.h>                 
  7                                      
  8 void Childrun()                      
  9 {                                    
 10   int cnt = 5;                       
 11   while(cnt)                         
 12   {                                  
 13     printf("I am child ,pid:%d,ppid:%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);
 14     sleep(1);                        
 15     cnt--;                           
 16   }                                  
 17 }                                    
 18                                      
 19 int main()                           
 20 {                                    
 21                                      
 22   printf("I am father ,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
 23                                      
 24   pid_t id = fork();                 
 25   if(id == 0)                        
 26   {                                  
 27     //child                          
 28     Childrun();                      
 29     printf("child quit..\n");       
 30     exit(1); //退出码设置为1  
 31   }                                  
 32   //father                           
 33   sleep(10);                         
 34   int status = 0 ;                   
 35   pid_t rid = waitpid(id , &status , 0);
 36   if(rid > 0)                        
 37   {                                  
 38     printf("wait success,rid:%d\n",rid);
 39   }                                  
 40   printf("father quit...,status:%d\n",status);                                     
 41   sleep(3);                                                                  
 42   return 0;                                                                  
 43 } 

这就成功获取了status！

我们需要的是 退出码 和 退出信号，那么我们如何通过status获取这两个数据呢？？？

也就通过位运算就可以成功获取了。
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/2650b18879684c50981074b8e6bbdf7d.png)这样就可以了：

通过两个信息就可以判断进程是否正常运行，如果异常，也能知道异常原因了。

当然，如果使用位运算就有点那啥了，我们可以使用宏：

• 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）

对于第三个参数，就可以让父进程在等待的刚才中区做其他事情。也就是进行非阻塞等待：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

1. 阻塞等待就类似张三给李四打电话帮忙，李四正在忙，告诉张三等一会，然后张三这个电话就不挂了，等着李四完成工作，张三也不做其他事情。
2. 非阻塞等待类似张三给李四打电话帮忙，李四正在忙，告诉张三等一会，然后张三说李四忙完打回来，张三就先去做其他事情。

下面写入了一段非阻塞轮询等待的代码，这样就能保证父进程在等待的过程中，可以去做其他事情！

 34   while(1)                                                                                                                                 
 35   {                                                                                                                                        
 36     int status = 0 ;                                                                                                                       
 37     pid_t rid = waitpid(id , &status , 0);                                                                                                 
 38     if(rid == 0)                                                                                                                           
 39     {                                                                                                                                      
 40       sleep(1);                                                                                                                            
 41       printf("child is running ,father check next time!\n");                                                                               
 42     }                                                                                                                                      
 43     else if(rid > 0)                                                                                                                        
 44     {                                                                                                                                      
 45       if(WIFEXITED(status))                                                                                                                
 46       {                                                                                                                                    
 47         printf("child quit success,child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));                                                             
 48       }                                                                                                                                    
 49       else                                                                                                                                 
 50       {                                                                                                                                    
 51         printf("child quit unnormal!\n");                                                                                                  
 52       }                                                                                                                                    
 53       break;                                                                                                                               
 54     }                                                                                                                                      
 55     else                                                                                                                                   
 56     {                                                                                                                                      
 57       printf("waitpid failed!\n");                                                                                                         
 58       break;                                                                                                                                                                  
 59     }                                                            
 60   }

来看运行效果(父进程一直在查)：

这样就完成了。

4 总结

1. 等待很容易理解，等待是必须进行的，回收子进程资源，获取子进程退出信息
2. 进程等待常用waitpid，并常用非阻塞等待

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

下一篇文章见！！！