前言：本章重点
①：学习进程的创建，fork/vfork
②：学习进程终止，认识$
③：学习进程等待
④：写一个微型的shell（单独列一章），重新认识shell运行原理
一、进程创建
1.1 fork函数初识
在Linux中，fork函数是非常重要的函数，它从已创建的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
返回值：子进程返回0，父进程返回子进程的id，出错子进程不会被创建，父进程会得到返回值-1
现在产生了下面几个问题：
1.为什么要给子进程返回0，父进程返回子进程的pid？
这样的设计是为了父子进程能明确自己的身份，同时满足进程间管理的核心需求，具体原因有下面两点：
**①：给子进程返回0，**子进程不需要知道自己的pid，它可以通过getpid（）自己获取在需要的时候，但需要明确"我是子进程"，返回0是一个简单的身份标识，让子进程判断自己的身份，执行对应的逻辑
②：给父进程返回子进程的pid，父进程需要管理子进程（wait()/waitpid()等待子进程结束，回收资源），而PID是系统中进程的唯一标识，所以父进程必须要拿到子进程的PID，才能对特定子进程进行操作（多个子进程时，父进程需要知道具体等哪一个）
总结：子进程的需求：我是不是子进程，返回0表示是，父进程的需求：我的子进程是谁，返回子进程PID表示这是你要管理的子进程
2.为什么一个函数fork会有俩个返回值？
这是因为fork()执行后会"复制进程"，导致同一个函数调用在两个独立的进程中分别返回，本质是"进程分裂"带来的结果：
①：先尝试创建一个与当前进程（父进程）完全相同的副本（子进程，包含代码、数据、堆栈等）
②：若成功，父进程和子进程会同时从fork（）的下一行代码继续执行
所以fork()的两个返回值其实是：父进程的fork()调用返回子进程的PID，子进程的fork()调用返回0，相当于一个函数调用被两个进程各自执行了返回操作，所以看起来有两个返回值
3.为什么一个id既等于0，又大于0？
这是对进程空间独立性的误解，父进程和子进程拥有各自独立的变量副本，id只是变量名相同，内存空间和值完全不同
进程调用fork,当控制转移内核中的fork代码后，内核做：
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
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
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，但每个过程都将开始各自的旅程：
int main( void )
{
pid_t pid;
// 打印fork前的进程PID
printf("Before: pid is %d\n", getpid());
// 调用fork，失败则打印错误并退出
if ( (pid = fork()) == -1 ) {
perror("fork()");
exit(1);
}
// fork后，父子进程都会执行这行打印
printf("After: pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
// 休眠1秒，避免进程提前退出导致输出混乱
sleep(1);
return 0;
}代码执行的结果：
所以fork之前父进程独立执行，fork后父子两个执行流分别执行，注意fork后谁先执行完全取决于调度器
1.2 写时拷贝
通常父子代码共享，父子在不写入时，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拷贝一份副本：
因为有写时拷贝技术的存在，所以父子进程得以彻底分离，完成了进程独立性的技术保证，写时拷贝是一种延时申请技术，可以提高整机内存的使用率
1.3 fork常规用法
①一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
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == -1) { // fork失败
perror("fork failed");
exit(1);
}
// 子进程分支：执行"数据计算"逻辑
else if (pid == 0) {
printf("【子进程】PID：%d，正在计算 1+2+...+100\n", getpid());
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
sum += i;
}
printf("【子进程】计算完成：1+2+...+100 = %d\n", sum);
exit(0); // 子进程执行完退出
}
// 父进程分支：执行"等待+状态打印"逻辑
else {
printf("【父进程】PID：%d，子进程PID：%d\n", getpid(), pid);
printf("【父进程】等待子进程计算完成...\n");
wait(NULL); // 等待子进程结束
printf("【父进程】子进程已退出，父进程结束\n");
}
return 0;
}
②一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
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == -1) {
perror("fork failed");
exit(1);
}
// 子进程：调用exec替换为新程序
else if (pid == 0) {
printf("【子进程】PID：%d，准备执行新程序...\n", getpid());
// execl：执行当前目录下的child_prog程序，传入参数"10"
// 格式：execl(程序路径, 程序名, 参数1, 参数2, ..., NULL)
execl("./child_prog", "child_prog", "10", NULL);
// 注意：如果exec执行成功，下面的代码永远不会执行！
perror("exec failed"); // 只有exec失败时才会走到这里
exit(1);
}
// 父进程：等待子进程执行完新程序
else {
printf("【父进程】PID：%d，等待子进程执行新程序...\n", getpid());
int status;
wait(&status); // 等待子进程，获取退出状态
if (WIFEXITED(status)) {
printf("【父进程】子进程执行完毕，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
}
}
return 0;
}
1.4 fork调用失败的原因
系统中有太多进程
实际用户的进程数超过了限制
二、进程终止
进程终止的本质就是释放系统资源，就是释放进程申请的相关内核数据结构对应的数据和代码
2.1 进程退出场景
①代码运行完毕，结果正确
②代码运行完毕，结构不正确
③代码异常终止
2.2 进程常见退出方式
①从main返回
②调用exit
③_exit
异常退出：
ctrl + c，信号终止
2.2.1 退出码
退出码（退出状态）可以告诉我们最后一次执行的命令的状态，在命令结束以后，我们可以知道命令是成功完成的还是以错误结束的，其基本思想是，程序返回退出代码0时表示执行成功，没有问题，代码是1或0以外的任何代码都视为不成功
Linux Shell中的主要退出码：
退出码0表示命令执行无误，这是完成命令的理想状态
退出码1,我们也可以将其解释为"不被允许的操作"，例如在没有sudo权限的情况下使用yum，
130（SIGINT 或 ^c）和143（SIGTREM）等终止信号时非常典型的，它们属于128+n信号，其中n表示终止码
可以使用strerror函数来获取退出码对应的描述
2.2.2 _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、
说明：虽然status是int，但是仅有低八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
exit函数最后也会调用_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
2.2.4 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的运用时函数会将main的返回值当做exit函数
三、进程等待
3.1 进程等待的重要性
①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，
②另外，进程一旦变成僵尸状态，那就会刀枪不入，即是是kill-9也杀不了，因为没有命令可以杀死一个已经死亡的进程，
③最后，父进程派给子进程的任务完成的如何我们需要知道，
④父进程通过进程等待的方式没回子进程资源并获取子进程退出信息
3.2 进程等待的方法
3.2.1 wait方法：
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，不关心则可以设置为NULL
3.2.2 waitpid 方法：
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error会被设置为相应值以指示错误所在
参数：pid = -1,等待任意一个子进程，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):若为正常终止进程返回的状态，则为真（查看进程是否正常退出）
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，表示进程阻塞等待
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：如果子进程已经退出，调用wait和waitpid时会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息
②：如果在任意时刻调用wait和waitpid，子进程存在且运行正常，则进程可能阻塞
③：如果不存在该子进程，则立即出错返回
父进程通过 fork 创建子进程后，在 parent_code 中调用 wait (&s) 阻塞等待，子进程执行 child_code 并 exit (n) 退出，其退出信息被打包存入 wait 的参数 s 中，父进程被唤醒后拿到 s（即 status）
3.2.3 获取子进程status
①：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
②：如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息
③：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
④：status不能简单的当做整型来看，可以当做位图来看待：
3.2.4 阻塞等待与非阻塞等待
进程的阻塞等待方式：wait()
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 子进程：睡3秒再退出
sleep(3);
printf("子进程退出\n");
exit(0);
} else {
// 父进程：调用wait()阻塞等待
printf("父进程开始阻塞等待...\n");
wait(NULL); // 这里会卡住3秒，直到子进程退出
printf("父进程等待结束，继续执行\n");
}
return 0;
}
非阻塞等待：waitpid（pid，&status，WNOHANG）
父进程调用等待函数后，不会卡住，而是立即返回
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 子进程：睡3秒再退出
sleep(3);
printf("子进程退出\n");
exit(0);
} else {
// 父进程：非阻塞等待（循环检查子进程状态）
while (1) {
int ret = waitpid(pid, NULL, WNOHANG); // WNOHANG表示非阻塞
if (ret == 0) {
printf("子进程还在运行，父进程继续干别的事...\n");
sleep(1); // 父进程可以做其他操作
} else if (ret == pid) {
printf("父进程检测到子进程已退出，等待结束\n");
break;
}
}
}
return 0;
}
四、进程程序替换
fork（）之后，父子各自执行代码的一部分，如果子进程想要执行一个全新的程序呢？我们使用进程的程序替换来完成这个功能
程序替换是通过特定的接口，加载磁盘上的哟个全新的程序（代码和数据），加载到调用进程的地址空间中！
4.1 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调用，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前后进程的id并未改变：
4.2 替换函数
有六种以exec开头的函数，统称exec函数：
4.2.1 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
4.2.2 命名理解
这些函数原型看起来很容易混淆，我们需要掌握规律：
事实上，只有execve是真正的系统调用，其他的五个函数最终都会调用execve，所以execve在man手册第2节，其他函数在man手册第3节，这些函数之间的关系如下：
