Linux:进程控制

进程创建

fork 函数

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：子进程中返回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：

进程:内核的相关管理数据结构(task_struct+mm_struct+页表)+代码(共享)和数据(写时拷贝)

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

进程终止

终止是在做什么？

释放曾经的代码和数据所占据的空间，释放内核数据结构 （注意：僵尸进程不会释放内核数据结构，只释放代码和数据所占据的空间）

进程退出场景

• 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 $? 查看最近一个子进程退出码）

1. 从main返回 (return)

2. 调用exit

3. _exit

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父进程bash获取到最近一个子进程退出的退出码

告诉父进程，子进程的任务完成的怎么样，知道子进程(成功，失败：原因)

0：代表成功

!0：代表失败，[0-255]:不同的失败原因
exit

我们的代码任意位置调用exit，都表示进程退出

参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

exit最后会调用_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

_exit

void _exit(int status);

参数： status 定义了进程的终止状态，父进程通过 wait 来获取该值

相比exit，_exit不会刷新缓冲区

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异常终止

操作系统发现了你的进程做了不该做的事，OS杀了进程

一旦出现异常，退出码就没有意义了

进程出现异常，本质是：因为进程收到了OS发给进程的信号

我们可以看进程退出的时候，退出信号是多少，就可以判断我的进程为什么异常了

衡量一个进程的退出，父进程bash只需要两个数字: 退出码和退出信号

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进程等待

进程等待的方法

wait 方法

子进程本身就是软件，父进程本质是在等待某种软件条件就绪

waitpid 方法

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 。、

• 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。

  options==0，阻塞等待：子进程没有等到时，会一直堵塞等待

  options==WNOHANG，非阻塞等待：对子进程进行检测，子进程没退出，直接返回0

  所以，options==0，返回值只有>0和<0两种情况

  optioons==WNOHANG，返回值有>0和<0和==0三种情况

ptioons== WNOHANG，返回值有>0和<0和==0三种情况
非阻塞等待的时候+循环=非阻塞轮询

非阻塞等待允许父进程做一些其他事情

获取子进程 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。

子进程退出信息：进程退出码+退出信号

这样单独取到 进程退出码和退出信号 利用WIFEXITED(status)和WEXITSTATUS(status)判断和提取退出码

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。

进程=内核数据结构+代码和数据，只是进程的程序替换，没有创建新的进程，本质就是被替换进程的程序被加载到内存了

父进程的代码和数据本来是和子进程共享的，但由于进程程序替换，子进程后面替换的程序用的是替换的代码和数据，在物理内存上重新开辟一块空间放置新的代码和数据

替换函数

• path:我们要执行的程序，需要带路径(怎么找到程序)
• file：用户可以不传要执行的文件的路径(但文件名要传)
• argu：在命令行中怎么执行你就怎么传参 最后一个要传NULL
• argu[ ]: 用一个指针数组分别装命令字符串，最后一个空间传NULL，然后传给argu[ ]
• envp[ ]:整体替换所有环境变量，可以自定义环境变量传入

l ：list 列表

v：vector

p：查找这个程序，系统会自动在环境变量PATH中进行查找

e：环境变量

exec*系列的函数执行完毕后，后续的代码不见了，因为被替换了

exec*函数的返回值不用关心，只要替换成功，就不会向后继续运行，只要继续运行了，一定是替换失败

exec*类似Linux上的加载函数

列如

putenv

系统接口函数

向环境变量表中添加环境变量

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简易的 shell （实践）（重要）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
#define SIZE 512
#define ZERO '\0'
#define SEP " "
#define NUM 32
#define SkipPath(p) do{ p += (strlen(p)-1); while(*p != '/') p--; }while(0)
 
// 为了方便，我就直接定义了
char cwd[SIZE*2];
char *gArgv[NUM];
int lastcode = 0;
 
void Die()
{
    exit(1);
}
 
const char *GetHome()
{
    const char *home = getenv("HOME");
    if(home == NULL) return "/";
    return home;
}
 
const char *GetUserName()
{
    const char *name = getenv("USER");
    if(name == NULL) return "None";
    return name;
}
const char *GetHostName()
{
    const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
    if(hostname == NULL) return "None";
    return hostname;
}
// 临时
const char *GetCwd()
{
    const char *cwd = getenv("PWD");
    if(cwd == NULL) return "None";
    return cwd;
}
 
// commandline : output
void MakeCommandLineAndPrint()
{
    char line[SIZE];
    const char *username = GetUserName();
    const char *hostname = GetHostName();
    const char *cwd = GetCwd();
 
    SkipPath(cwd);
    snprintf(line, sizeof(line), "[%s@%s %s]> ", username, hostname, strlen(cwd) == 1 ? "/" : cwd+1);
    printf("%s", line);
    fflush(stdout);
}
 
int GetUserCommand(char command[], size_t n)
{
    char *s = fgets(command, n, stdin);
    if(s == NULL) return -1;
    command[strlen(command)-1] = ZERO;
    return strlen(command); 
}
 
 
void SplitCommand(char command[], size_t n)
{
    (void)n;
    // "ls -a -l -n" -> "ls" "-a" "-l" "-n"
    gArgv[0] = strtok(command, SEP);
    int index = 1;
    while((gArgv[index++] = strtok(NULL, SEP))); // done, 故意写成=,表示先赋值，在判断. 分割之后，strtok会返回NULL，刚好让gArgv最后一个元素是NULL, 并且while判断结束
}
 
void ExecuteCommand()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) Die();
    else if(id == 0)
    {
        // child
        execvp(gArgv[0], gArgv);
        exit(errno);
    }
    else
    {
        // fahter
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if(rid > 0)
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
            if(lastcode != 0) printf("%s:%s:%d\n", gArgv[0], strerror(lastcode), lastcode);
        }
    }
}
 
void Cd()
{
    const char *path = gArgv[1];
    if(path == NULL) path = GetHome();
    // path 一定存在
    chdir(path);//改变当前路径，系统接口
 
    // 刷新环境变量
    char temp[SIZE*2];
    getcwd(temp, sizeof(temp));//获取当前的绝对路径，系统接口
    snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", temp);
    putenv(cwd); // OK     //写入环境变量，系统接口
}
 
int CheckBuildin()
{
    int yes = 0;
    const char *enter_cmd = gArgv[0];
    if(strcmp(enter_cmd, "cd") == 0)
    {
        yes = 1;
        Cd();
    }
    else if(strcmp(enter_cmd, "echo") == 0 && strcmp(gArgv[1], "$?") == 0)
    {
        yes = 1;
        printf("%d\n", lastcode);
        lastcode = 0;
    }
    return yes;
}
 
int main()
{
    int quit = 0;
    while(!quit)
    {
        // 1. 我们需要自己输出一个命令行
        MakeCommandLineAndPrint();
 
        // 2. 获取用户命令字符串
        char usercommand[SIZE];
        int n = GetUserCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
        if(n <= 0) return 1;
 
        // 3. 命令行字符串分割. 
        SplitCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
 
        // 4. 检测命令是否是内建命令
        n = CheckBuildin();
        if(n) continue;
        // 5. 执行命令
        ExecuteCommand();
    }
    return 0;
}

cd，echo，export等为内建命令

然后 shell 读取新的一行输入,建立一个新的进程,在这个进程中运行程序 并等待这个进程束。

所以要写一个 shell ，需要循环以下过程 :

1. 获取命令行

2. 解析命令行

3. 建立一个子进程（ fork ）

4. 替换子进程（ execvp ）

5. 父进程等待子进程退出（ wait ）