Linux进程控制核心：创建·等待·终止·替换

Linux进程控制

1. 进程创建

创建方式

​ 1.命令行直接运行程序（本质也是bash函数帮我们创建）

​ 2.fork函数创建子进程（我们自己的代码创建）

创建流程

​ 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

内核行为

创建进程时，先创子进程的内核相关数据结构（task_struct + mm_struct + 页表） 在加载代码和数据。创建时，相关数据结构拷贝一份，修改部分信息（pid，ppid等信息独有信息）。代码和数据刚开始只有一份，后续进行写时拷贝产生父子数据分离

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。进而他们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程

代码等只读属性的数据共享，读写属性的数据写时拷贝

因为创建的进程各自有各自独立的地址空间，物理内存依靠页表和写时拷贝也不会发生冲突，所以一个进程挂掉不会影响其他进程，也就是进程独立性

函数介绍

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);  // 返回值：// >0: 父进程，返回值为子进程PID// =0: 子进程// <0: 创建失败

为了让父进程方便对子进程进行标识，进而进行管理，所以给父进程子进程的pid，给子进程返回0只是为了确认是否创建成功，出错返回-1

2. 进程等待

任何子进程，在退出的情况下，一般必须要被父进程进行等待。进程在退出的时候如果父进程不管不顾，子进程会一直维持状态Z。

等待原因

​ 1.父进程通过等待，解决子进程退出的僵尸问题，回收系统资源（一定要考虑）

​ 2.获取子进程的退出信息（退出码，退出信号），知道子进程因为什么原因退出的（可选的功能）

函数介绍

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int* status);//等待最近一个子进程退出
pid_t waitpid(pid_t pid,int * status,int options);
//等待pid为pid进程的退出，若pid参数值为-1，则等待任意一个子进程，与wait等效
//这两个函数返回值正常返回时为收集到的子进程id，如果调用出错则返回-1

调用这两个其中某一个函数时，父进程会进入阻塞等待状态，等待子进程状态发生改变。

status参数是输入型参数，记录子进程退出信息，

其中高16位不用，剩余16位的高8位记录退出码，低8位的最高一位记录core dump 状态，剩余7位记录退出信号。

如何获取到退出码和退出信号的值？

pid_t waitpid(pid_t pid,int * status,int options);
//自己使用位操作来提取
printf("quit code : %d , quit signal : %d", (status>>8)&0xFF, status & 0x7F)；
//库里的宏
WIFEXITED(status);//若为正常终止子进程的返回状态，则为真，（查看status低7位是否为0）
WEXITSTATUS(status);//若WIFEXITED非零，提取子进程退出码

等待的两种方式

阻塞等待

等待的时候，进程状态为S，D，此时，进程的pcb从运行队列被移动到某个等待队列，不被调度，等待子进程退出。

pid_t waitpid(pid_t pid,int * status,int options);

waitpid函数中,options参数默认为0，此时该函数将进行阻塞等待

非阻塞等待

调用函数后，子进程会很快给出返回值，不会再等待子进程退出后再给返回值

waitpid函数中,options参数为WNOHANG(宏定义），此时该函数将进行非阻塞等待。

此时，返回值有3中情况

​ 1. pid_t > 0:等待成功，子进程退出并且父进程回收成功

​ 2. pit_t < 0:等待失败。

​ 3. pit_t == 0:检测是成功的，只不过子进程还没退出，需要下次等待

非阻塞等待再检测子进程状态结束后，可以执行其他代码功能，不会一直等待，但是要进程下次检测，所以使用非阻塞轮询等待（非阻塞等待 + 循环），相比阻塞等待，非阻塞轮询等待可以允许父进程做其他事情。

3. 进程终止

终止原因

进程终止的必要性

​ 1.释放曾经的代码和数据所占的空间

​ 2.释放内核数据结构

释放数据结构时，task_struct延迟释放（此时为Z状态，僵尸状态）

为什么父进程bash要的到子进程的退出码呢？

要知道子进程退出的情况（成功，失败，失败的原因是什么？），本质也是想告诉用户错误原因

进程终止3种情况：

​ 1.代码跑完，结果正确

​ 2.代码跑完，结果不正确

​ 3.代码执行时，出现了异常，提前退出了（操作系统发现进程做了不该做的事情，操作系统杀了进程，一旦出现异常，退出码就没有意义了）。提前退出是因为操作系统像进程发送了信号（比如 kill -11，段错误）

如何判断是那种情况？

​ 1.先确认是否异常，是异常后查看是那种异常信号

​ 2.不是异常，看退出码

进程退出时，他会释放掉代码，将退出信息（退出码exit_code，退出信号exit_signal）写入进程pcb（task_struct）中等待父进程读取，此时进程状态为僵尸状态（Z状态,代码释放，pcb不释放）

终止方式和函数介绍

​ 1.mian函数return，表示进程终止（非main函数，return，函数结束）

​ 2.代码调用exit函数（代码任意位置调用exit，都表示进程终止）

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

​ 3._exit(),系统调用终止进程,exit和 _exit的区别就是前者会刷新缓冲区，后者不会，前者是C语言库函数，后者是系统调用，exit内部会调用 _exit。

补充

bash内部维护着一个变量"?",这个变量会获取最近一个子进程的退出码，比如我们自己写的程序里面，最有一句return 0；0就会被？获取，我们在命令行也可以通过echo $?打印查看

退出码一般0表示正确，非零表示错误，错误有对应的错误信息，可以通过函数来查看

#include<string.h>
strerror(errorcode);

4. 进程替换

概念

一个进程在执行过程中调用exec*系列函数，将进程的代码和数据替换，可以执行起来新的程序。

原理

一个进程在执行时，会有自己的进程内核数据结构（pcb）+代码和数据，当进行程序替换时（调用exec*函数），会将新程序的代码和数据覆盖在旧程序的物理内存上，虚拟内存和页表以及pcb几乎不变，只会改变一些属性，这样就可以用旧的进程“外壳”执行新的进程，叫做进程替换

站在被替换进程的角度，本质就是这个进程被加载到内存，所以说exec类似于Linux系统上的加载函数

exec系列函数执行完毕后，旧进程的后续代码不被执行（旧进程的代码和数据已经被替换了），因此这些 函数的返回值大部分情况可以忽略，替换失败的时候返回值才有数据在内存中

多进程程序替换

由于进行程序替换后，父进程的后续代码不会执行，因此我们可以创建一个子进程，让子进程去执行新的程序，因为进程具有独立性，子进程执行完新的程序后不会影响父进程的后续执行，这样就可以实现在进程中启动另外一个进程，并且不影响本身的进程执行

内存变化：

创建子进程时，会创建新的内核数据结构，但是代码和数据刚开始共享，子进程进行程序替换，操作系统会将磁盘上新程序的代码和数据加载到内存，由于父子进程页表相同，因此加载的位置就是父进程的代码和数据的地址，进程具有独立性，子进程不可以影响父进程，会有写时拷贝发生，将代码和数据放在不同于父进程代码和数据的物理内存的位置，在修改页表映射，此时父子进程完全解耦，完全分离

函数介绍

  #include <unistd.h>extern char **environ; //外部声明环境变量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 execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);//path参数表示要进行替换的程序的位置，即相对路径或者绝对路径//file表示要进行替换的程序名称，替换时，操作系统会去PATH环境变量里面的路径下寻找该程序//arg是可变参数，表示替换程序时所带的命令行参数，以NULL结尾//argv[]是可变参数表，表内元素为命令行参数，最后一个元素为NULL，//envp[]是环境变量表，替换后的进程内部的环境变量表就是由该参数传递，并且是整体传递//替换前的子进程的环境变量表（由父进程拷贝的）不会默认传递给替换后的程序，若要进行替换，则需要进行外部声明改进程的环境变量表后，直接进行传递即可
#include <stdlib.h>char *getenv(const char *name);//若想增加自定义的环境变量给子进程的环境变量表，则可以使用函数getenv,该函数那个进程调用，则把环境变量加入到（name的内容）该进程的环境变量表中

这6个函数都是用来进行进程替换的函数，但是他们不是系统调用函数，是GNU C语言标准中的函数，是C语言封装出来的函数，真正的系统进程替换系统调用函数只有一个，上面6个函数底层都是调用execve系统调用函数

#include <unistd.h>int execve(const char *filename, char *const argv[],char *const envp[]);