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进程控制概述
一个进程创建了另一个进程，创建者为父进程，被创建者为子进程。
父进程可以创建多个子进程。
操作系统是一号进程，所有进程构成一颗多叉树结构。
每个父进程只对直系的子进程负责。
父进程创建子进程的一整套流程为：创建子进程------>子进程完成任务------>父进程回收子进程
创建子进程
fork函数
功能： 创建一个子进程
头文件： #include <unistd.h>
函数原型： pid_t fork(void);
返回值： 子进程返回 0 ，父进程返回子进程 id ，出错返回-1
fork之后的父进程和子进程谁先被执行是由调度器决定
代码示例
cpp
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;
}父子进程执行流
父进程和子进程共享代码，可以用判断语句让父进程和子进程执行不同代码块实现分流。
cpp
int main()
{
pid_t t = fork();
if (-1 == t)
{
//创建进程失败
}
else if (0 == t)
{
//子进程代码块
}
else
{
//父进程代码块
}
return 0;
}上述代码中如果在父子进程分别写一个死循环就会有个神奇的现象------在一个main函数中能同时运行两个死循环。
系统层面理解
这在语言层面是无法理解的。在系统层面，是由两个进程运行了该代码。
fork()也是一个函数，在fork函数内部实现在创建一个进程的方法，在执行fork的main函数的return的时候就已经有了两个进程，子进程的fork返回 0 ，父进程的fork 返回子进程的pid（进程唯一标识符）。
出了fork函数，父进程和子进程分别执行自己的代码块，也就有了上述一个在main函数中运行了两个死循环的现象。
在fork函数中，linux内核做了如下工作
Linux内核为子进程创建内核资源，包括task_struct（管理进程），mm_struct（管理进程地址空间），页表等，并为该子进程分配唯一标识符PID。子进程的内核资源继承于父进程。
Linux内核复制父进程的上下文，包括堆栈指针、程序计数器（PC）以及通用寄存器的状态。
Linux内核为子进程分配独立的进程地址空间
处理返回值，子进程返回 0 ，父进程返回 子进程的PID。
原理刨析
原理剖析设计进程地址空间，可参考【Linux】进程地址空间-CSDN博客
子进程的页表也是继承于父进程，这意味着子进程的地址空间在物理内存的映射是重叠的。当子进程要对父进程的数据进行写入时，会发生写时拷贝。
通过写时拷贝实现代码共享，数据隔离。
上述策略可以有效节省物理内存
常见用法
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（进程程序替换）
出错原因
系统中进程太多
用户进程的数量超过了限制
进程退出
概述
父进程先退，子进程未退。此时子进程的父亲进程被改为1号进程（操作系统），那么该子进程被称为孤儿进程
父进程未退，子进程先退。但父进程没有读取到子进程的退出（进程等待），该子进程的状态被改为 Z 状态，Z 状态的进程被成为僵尸进程。
操作系统杀不掉僵尸进程，所以僵尸进程会造成内存泄漏
如下是维持30秒僵尸进程的代码示例
cpp
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id < 0){
perror("fork");
return 1;
}
else if(id > 0){ //parent
printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
sleep(30);
}else{
printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return 0;
}场景分析
进程异常退出
异常退出的本质是因为进程出发了硬件级别的错误，操作系统给进程发送信号终止进程。
被信号杀掉的进程由于自身任务没有完成就挂掉了，所以是异常退出。
每一种信号都有自己的编号，可用下述命令查看
cpp
kill -l
用户可以输入如下指令，向进程发送信号来终止进程
kill -9 进程PID
Ctrl c
进程正常退出，结果不正确
进程退出码：进程正常结束后给外部返回一个值，来代表自己任务完成情况。
如下指令可以查看最近一次进程的退出码
cpp
echo $?? 中储存的是最近一次进程的退出码的值
退出码的值可以自己定，退出码的含义可以根据代码的需求给定
可用如下程序显示linux的退出码的含义
cpp
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{
int i = 0;
for(i;i<134;i++)
{
printf("%d:,%s\n",i,strerror(i));
}
return 0;
}进程正常退出，结果正确
一般情况下无需关心
返回退出状态的函数
return 是一种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
但如果该函数不是main函数，就需要exit函数结束进程，并返回退出状态
#include <unistd.h>
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
#include <unistd.h>
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
exit和_exit
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
如下示意图
代码示例
cpp
int main()
{
printf("hello");
exit(0);
}运行结果
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#
cpp
int main()
{
printf("hello");
_exit(0);
}运行结果
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#
进程等待
概述
父进程只对直系的子进程负责，父进程创建子进程的目的是为了让子进程为自己完成一些事情。所以在子进程变成 X 状态（死亡状态）之前，有一个 Z 状态即僵尸状态。
僵尸状态是为了能让父进程读取子进程的退出信息。
退出信息：进程是否触发硬件级别的错误而被信号所杀（异常结束），进程如果没有异常结束退出码是否符合预期（结果运行的结果是否正确）
进程等待有如下场景
1.父进程等待子进程，但子进程并未退出，此时父进程可以阻塞等待，非阻塞等待，非阻塞轮询等待。
2.子进程变成僵尸进程，父进程等待子进程并读取子进程退出信息，子进程被设为 X 状态。
子进程的退出信息只能被父进程拿到------父进程只对直系子进程负责。
进程等待和 Z 状态本质是为了应对父子进程退出的各种场景，让父进程拿到子进程的退出信息
进程等待方法
wait
头文件： #include<sys/types.h>
头文件： #include<sys/wait.h>
函数原型： pid_t wait(int*status)
功能：等待子进程
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
wait函数的特性是：如果子进程为僵尸状态，直接获取子进程的退出信息，如果子进程并未退出，父进程的状态被改为 S 状态（睡眠状态，阻塞状态）------父进程一直等待子进程
参数：我们可以定义一个int类型的变量，wait用指针接收，wait去子进程中拿到退出信息就可以通过 status传递给父进程
代码示例
cpp
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t i = fork();
if (-1 == i)//创建子进程失败
{
printf("创建子进程失败\n");
return 2;
}
else if (0 == i)//子进程
{
int cat = 2;
while (cat)
{
//eep(1);
printf("我是一个子进程 %d 我的父亲是 %d\n", getpid(), getppid());
cat--;
}
exit(21);
//return 12;
}
else//父进程
{
int status = 0;
pid_t t = wait(&status);
sleep(1);
printf("我是一个父进程%d,子进程退出状态为%d,子进程的退出码是%d\n", getpid(), WIFEXITED(status),WEXITSTATUS(status));
//printf("我是一个父进程%d,子进程退出状态为%p\n", getpid(),status);
return 99;
}
}waitpid
函数原型
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:
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
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 。
如果为0：进入阻塞等待，与wait等价
如下是不同场景的代码示例
父进程只等待一次，子进程变成孤儿进程
cpp
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t i = fork();
if (-1 == i)//创建子进程失败
{
printf("创建子进程失败\n");
return 2;
}
else if (0 == i)//子进程
{
int cat = 2;
while (1)
{
sleep(1);
printf("我是一个子进程 %d 我的父亲是 %d\n", getpid(), getppid());
cat--;
}
exit(21);
//return 12;
}
else//父进程
{
int status = 0;
pid_t t = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
sleep(1);
printf("我是一个父进程%d,子进程退出状态为%d,子进程的退出码是%d\n", getpid(), WIFEXITED(status),WEXITSTATUS(status));
//printf("我是一个父进程%d,子进程退出状态为%p\n", getpid(),status);
return 99;
}
}非阻塞轮询等待
父进程死循环等待，options的参数是WNOHANG，这种等待称为非阻塞轮询等待，等待期间父进程可以做自己的事情
cpp
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t i = fork();
if (-1 == i)//创建子进程失败
{
printf("创建子进程失败\n");
return 2;
}
else if (0 == i)//子进程
{
int cat = 2;
while (1)
{
sleep(1);
printf("我是一个子进程 %d 我的父亲是 %d\n", getpid(), getppid());
cat--;
}
exit(21);
//return 12;
}
else//父进程
{
int status = 0;
while(1)
{
pid_t t = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
sleep(1);
//printf("我是一个父进程%d,子进程退出状态为%d,子进程的退出码是%d\n", getpid(), WIFEXITED(status),WEXITSTATUS(status));
if (-1 == t)//等待失败
{
return -1;
}
else if (0 == t)
{
sleep(1);
printf("子进程还没完事\n");
}
else{//等待成功
break;
}
//printf("我是一个父进程%d,子进程退出状态为%p\n", getpid(),status);
}
return 99;
}
}为什么要用上述两个函数来完成父进程对子进程退出信息的获取呢
wait和waitpid是系统提供的接口，获取子进程的退出信息是由操作系统做的。为什么父进程不能直接获取，而要让操作系统介入呢？
子进程退出后，其相关数据被释放掉，退出信息被保存在内核数据结构中，一个进程在上层代表的是用户，如果一个进程可以直接拿到子进程的退出信息，那么说明该进程可以直接访问内核数据结构，换句话说用户可以通过代码访问内核数据结构，那么操作系统的安全性怎么得到保证呢？
父进程和子进程都代码共享了，不能在代码层面拿到退出信息吗
进程是系统层面的概念，如果不用系统提供的接口，子进程的退出信息是不会反馈给父进程的代码上的。
详谈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）
比特位 0~6 对应了接受到的信号，注意这里还通过 127 0x7f 定义了 STOP 状态
比特位 7 用来标示是否有生成 core 文件
比特位 8~15 通过 exit() 接口退出进程，也就是意味着错误码最大为 255 ，如果是 256 那么实际上是 0 ；
头文件中提供了宏，无需进行位运算
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）