【Linux】进程控制

1. 进程创建

1.1 fork函数

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#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

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到子进程
添加子进程到系统进程列表当中
fork返回，开始调度器调度

1.2 fork返回值

子进程返回0
父进程返回的是子进程的pid
创建出错返回-1

1.3 写时拷贝

刚创建时，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:

1.4 fork调失败的原因

系统中有太多的进程
实际用户的进程数超过了限制

2. 进程终止

本质是释放系统资源

2.1 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

2.2 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
调用exit
调用_exit

异常退出： ctrl + c，信号终止

2.2.1 退出码

程序返回退出代码0 时表示执行成功没有问题。 !0被视为不成功

2.2.2 _exit函数

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#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

说明：虽然status是int，但是仅有低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

2.2.3 exit函数

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#include <unistd.h>
void exit(int status);

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

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
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

3.2 进程等待的方法

1）wait

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#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

2）waitpid

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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
 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:默认为0，表⽰阻塞等待
 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

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

3）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，具体细节如下图（只研究status低16bit位）：

4）阻塞与非阻塞等待

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// 阻塞模式（第三个参数=0）
waitpid(-1, &status, 0); 

// 非阻塞模式（第三个参数=WNOHANG）
waitpid(-1, &status, WNOHANG);

1. 阻塞模式

行为：调用 waitpid 后，父进程会暂停所有操作（挂起），不再执行后续代码，直到「子进程退出」这个事件发生。
核心特点：等待期间，调用者（父进程）"啥也干不了"，CPU 不会给它分配时间片（节省 CPU 资源）

2. 非阻塞模式（时时询问）

行为：调用 waitpid 后，父进程不会暂停 ，而是立即返回结果：
- 如果子进程还在运行（事件未发生），返回 0；
- 如果子进程已退出（事件发生），返回子进程 PID；
- 失败返回 -1。
核心特点：等待期间，调用者（父进程）"不闲着"，可以执行其他任务，但需要主动循环查询结果（轮询），可能消耗更多 CPU。

4. 进程程序替换

fork 创建的子进程只是执行父进程代码的 "不同分支"，但本质上子进程和父进程跑的是同一个程序文件（a.out）。但实际开发中，子进程往往需要执行另一个完全不同的程序，所以进程的程序替换来完成这个功能

4.1 替换原理

1. 「替换」的是用户空间，不是进程本身

子进程调用 exec 前：和父进程共享同一个程序文件（a.out），用户空间是父进程的副本（代码、数据都一样）；
子进程调用 exec 后：用户空间的所有内容被新程序（比如/bin/ls）替换 ------ 原来的 a.out 代码、数据全没了，换成新程序的代码和数据，执行入口变成新程序的启动例程（最终调用新程序的main）。

2. 「不变」的是内核层面的进程属性

调用 exec 不会创建新进程（所以 PID 不变），进程的核心内核数据结构（task_struct）没被重建，只是更新了用户空间的映射。比如：

PID、PPID（父进程 ID）不变；
已经打开的文件描述符（比如标准输入、输出）不变；
进程的工作目录、用户 ID、组 ID 不变。

4.2 替换函数

有六种 **exec***开头的函数

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
原来的程序会被新程序完全覆盖了，换成了新程序的代码和数据

命名解释

后缀	含义
`l`	list（列表传参）：参数以可变参数列表形式传递，必须以 `NULL` 结尾
`v`	vector（数组传参）：参数以字符串数组形式传递，数组最后一个元素必须是 `NULL`
`p`	path（路径查找）：自动从系统 `PATH` 环境变量中查找程序，无需写全路径
`e`	environment（自定义环境）：允许传入自定义环境变量数组，覆盖默认环境

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#include <unistd.h>
//exec*
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[]);

1. execl ------ 列表传参 + 需全路径

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int execl(const char *path, const char *arg, ...);

execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 正确：最后一个参数是NULL
// execl("/bin/ls", "-l", NULL); // 错误：第一个参数必须是程序名（ls）

2. execlp ------ 列表传参 + PATH 查找（最常用之一）

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int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

execlp("ls", "ls", "-l", NULL); // 正确：自动从PATH找ls程序
execlp("pwd", "pwd", NULL);     // 正确：执行pwd命令，无额外参数

3. execv ------ 数组传参 + 需全路径

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

char *argv[] = {"ls", "-l", "-a", NULL}; // 数组结尾必须是NULL
execv("/bin/ls", argv);

4. execvp ------ 数组传参 + PATH 查找（最常用之一）

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int execvp(const char *file, char *const argv[]);

char *argv[] = {"ps", "aux", NULL};
execvp("ps", argv); // 自动从PATH找ps程序

5. execle ------ 列表传参 + 自定义环境

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int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

char *envp[] = {"MY_ENV=test", NULL};
// 执行 sh -c "echo $MY_ENV"：通过Shell解析环境变量
execle("/bin/sh", "sh", "-c", "echo $MY_ENV", NULL, envp);

6. execvpe ------ 数组传参 + PATH 查找 + 自定义环境

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int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

char *argv[] = {"sh", "-c", "echo $MY_ENV", NULL};
char *envp[] = {"MY_ENV=test", NULL};
execvpe("sh", argv, envp); // 自动从PATH找sh程序

5. 自主Shell命令行解释器

所以要写⼀个shell，需要循环以下过程:

获取命令行
解析命令行
建立一个子进程（fork）
替换子进程（execvp）
父进程等待子进程退出（wait）

1.从环境变量里获得UESR，HOSTNAME，PWD，模拟shell打印输出行结果

2.

bash 复制代码

1 #include <iostream>
  2 #include <cstdio>
  3 #include <cstring>
  4 #include <cstdlib>
  5 
  6 #define COMMAND_SIZE 1024
  7 #define FORMAT "[%s@%s %s]#"
  8  
  9 const char *GetUserName()
 10 {
 11   const char *name = getenv("USER");
 12   return name == NULL ? "None" : name;
 13 }
 14 
 15 const char *GetHostName()
 16 {
 17   const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
 18   return hostname == NULL ? "None" : hostname;
 19 }
 20 
 21 const char *GetPwd()
 22 {
 23   const char *pwd = getenv("PWD");
 24   return pwd == NULL ? "None" : pwd;
 25 }
 26 
 27 void MakeCommandLine(char cmd_prompt[],int size)
 28 {
 29   //格式化命令行提示符
 30   snprintf(cmd_prompt,size,FORMAT,GetUserName(),GetHostName(),GetPwd());
 31 }
 32 
 33 void PrintCommandPrompt()
 34 {                                                                                                                                                                               
 35   //打印命令行提示符
 36   char prompt [COMMAND_SIZE];
 37   MakeCommandLine(prompt,sizeof(prompt));
 38   printf("%s",prompt);
 39   fflush(stdout);//刷新
 40 }
 41 
 42 bool GetCommandLine(char *out,int size)
 43 {
 44 
 45     char *c = fgets(out,size,stdin);
 46     if(c == NULL) return false;
 47     //echo ls -a -l\n 
 48     out[strlen(out)-1]=0;//清理输入最后的回车键
 49     if(strlen(out) == 0) return false;//用户什么都不输入情况
 50     return true;
 51 }
 52 
 53 int main()
 54 {
 55   while(1)
 56   {
 57       // 1. 输出命令行提示符
 58        PrintCommandPrompt();
 59       // 2. 获取用户输入命令
 60       char commandline[COMMAND_SIZE];
 61       if(! GetCommandLine(commandline,sizeof(commandline)))
 62        continue;  
 63       printf("%s\n",commandline);
 64   }
 65   return 0;
 66 }

3.开始分割输入字符串，创建argv表

strtok 是 C 语言标准库（string.h）中的一个字符串分割函数，用于按照指定的分隔符将一个字符串拆分成多个子串

cpp 复制代码

#include <string.h>
char *strtok(char *str, const char *delim);

str ：首次调用时，传入要分割的原始字符串；后续调用时，传入 NULL：表示 "继续处理上一个字符串"
delim ：一个字符串，包含所有用作分隔符的字符（例如 ",; " 表示逗号、分号、空格都是分隔符）。

chdir

chdir 函数接收一个以空字符（'\0'）结尾的 C 风格字符串（const char*），用于指定要切换到的目标目录路径

因为先改变路径，再更新环境变量，如果一直用getenv(),则在实现内建命令cd时输出命令行的环境地址不能及时改变，所以需要使用系统调用getcwd()

复制代码

char *getcwd(char *buf, size_t size);

buf：指向一个字符数组的指针，用于存储获取到的当前工作目录路径。
size：指定 buf 的大小（以字节为单位）。

但此时环境变量中pwd还没有改变，仍需修改：把当前环境变量putenv导给环境变量

增加环境变量表：

最终代码

myshell（无内建命令版

完整myshell