Linux系统编程——进程控制

进程创建

fork 函数

通过调用操作系统提供的系统调用接口，从原已存在 父进程 中，创建一个新的 子进程，详细介绍见 之前这篇 blog

Linux系统编程——进程-CSDN博客

一些补充：

一旦创建了子进程，父子进程的页表中，可读可写的数据的属性也会暂时被修改为 只读，

如果 父子进程有一方要对历史上 本来 可写的区域 进行写入时，操作系统会 将这个异常 处理为：执行写时拷贝，修改父子进程的 页表 中的数据部分的 映射关系、并修改 页表中该数据项的属性为 可写。

那么问题来了，操作系统是怎么知道 “这个区域是 历史上 本来 可写的”？

在 fork 时，操作系统就会把 “这页原来可写” 这一信息偷偷塞进页表项的保留位里，之后的写保护异常处理程序只需检查这些位即可。

fork 常规应用

pid_t id = fork();

一个父进程希望复制自己，使 父子进程同时执行不同代码段：父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求；

或者

让子进程从 fork 返回后调用 exec 程序替换函数 等等......

fork 调用失败

系统中进程过多，内存不足

实际用户的进程数超过限制

进程终止

进程终止的本质：释放系统资源、释放该进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码

进程的退出场景：

1、代码运行完毕，结果正确

2、代码运行完毕，结果不正确

3、代码异常终止

exit & _exit

void exit (int status);
exit(0);    // 库函数void _exit (int status);
_exit(0);    // 系统调用

在任何代码处调用 exit、_exit，直接退出该进程，'0' 为该进程的退出码；退出码表示了进程最后一次执行的命令的状态，通过退出码可以知道该进程最后一次的命令是否成功执行；

和 return 的区别：exit 和 _exit 是直接退出进程，return 表示当前函数返回（main 函数的 return 等同于执行 exit）。

status 参数 是 int，4个字节，但是仅有 低 8 位可以被父进程获取（在后面的进程等待会讲到）。

exit 是库函数，_exit 是系统调用接口；

exit 在底层也会调用 _exit，但在调用 _exit 终止进程前，还会：

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，写入所有的缓存数据

3、调用 _exit

进程等待

what

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；

解决了“僵尸进程”的问题，避免内存泄漏。

how

wait / waitpid

通过系统调用接口 wait / waitpid ，对子进程进行 状态检测、回收、释放资源、获取子进程退出信息、回收僵尸进程

wait：一次可以等待任意一个子进程

waitpid：可以等待指定 pid 的子进程，并设置等待方式（阻塞等待或者非阻塞轮询）

注意：父进程只能等待自己的直系子进程

wait / waitpid 参数

pid_t pid

：指定等待某个进程

int* stat_loc

：输出型参数，将子进程的退出码带出来，供父进程处理，如果传参了 NULL，说明父进程不关心该 子进程的退出状态

因为返回值返回的是被等待成功子进程的 pid，那么子进程的退出码需要以输出型参数的方式带回，供父进程/用户 处理：

但是 int 类型 32bit 的 status，被划分为几个部分使用，在进程等待中我们只使用 后 16 位：

所以可以通过 对 status 进行 位运算，来获取其后7位（被信号所杀，看是哪种信号）、或 右移8位之后 的 后8位（计算退出码）

但是系统也提供了宏，对 status 进行判断：

WIFEXITED(status)    （查看进程是否正常退出）若为正常终止子进程返回的状态，则为真
WEXITSTATUS（status)    （查看进程退出码）若WIFEXITED(status)为真，提取退出码

int options

：父进程执行等待的方式（默认 0 —— 阻塞等待，或者传入 WNOHANG —— 非阻塞轮询）

阻塞等待

类似于硬件或者软件没有就绪，父进程必须要等待子进程执行完毕，获取子进程执行结果后，才能接着执行 自己的后续代码；

那么父进程在等待时，子进程的 PCB 中会维护一个 阻塞等待队列，把父进程 投递到 该子进程的 阻塞等待队列中；当子进程执行完毕时，内核会依次将该子进程的 等待队列中的 进程进行调度（唤醒）；如果子进程没有结束，父进程会一直等待

非阻塞轮询

传入 WNOHANG 参数后，父进程进行非阻塞等待，如果此时 子进程并未终止，该系统调用 wait / waitpid 会直接返回：

返回值 pid_t > 0：等待成功，返回被等待成功的子进程 pid

返回值 pid_t < 0：等待失败

返回值 pid_t = 0：子进程并未终止

要实现轮询，需要加上循环：

int status;
while(1)
{pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);if(ret > 0){// 等待成功}if(ret < 0){// 等待失败}if(ret = 0){// 子进程未终止// 如果子进程未终止，在这段代码中，可以让父进程做一些// 轻量化的任务，而且必须要能返回到这段代码中// 因为主要任务是 等待子进程，回收子进程}
}

why

1、进程自行终止 或者 被 wait / waitpid 强制终止，解决 僵尸进程 问题，避免内存泄漏；这是进程等待的系统调用接口 wait / waitpid 一定会做的

2、父进程在等待完成后，获取 子进程任务的完成情况；如果子进程返回了完成情况，wait / waitpid 进行接收，如果子进程没有返回完成情况，wait / waitpid 就不接收 —— 非必须

小结

父进程想要知道 子进程的状态，想要获取其退出码或者 其他数据，为什么必须使用 wait / waitpid 等系统调用？

因为 进程间 具有独立性，父进程是拿不到 子进程的数据的

复习：僵尸进程是如何形成的？

子进程先结束，而父进程既不退出，也不调用 wait / waitpid 去收尸，内核就只能把子进程的“尸体”（PCB 等少量资源）留在进程表里，于是它变成了僵尸进程（Zombie）

通过 进程等待 解决僵尸进程的 过程

1、父进程通过在代码中调用 wait / waitpid

2、wait / waitpid 通过访问子进程的 PCB 来获取其执行完毕的状态信息

3、写入 输出型参数 status

4、修改子进程的 僵尸状态 为 x（dead） 状态

进程程序替换

使用 fork 创建了子进程之后，尽管后续可能有 if 语句对父子进程的分流，但子进程 往往要调用 exec 系列的函数 来替换掉 该进程的 所有代码和数据，发生写时拷贝，然后执行新程序，原程序的所有代码与数据都不再执行；

另外，调用 exec 是执行替换工作，并不会创建新的进程，所以该进程的 pid 不会改变。

上面是库中提供的接口，功能类似，只是传参略有差异：

所有接口都要说明：我要替换的可执行程序文件，文件名？在哪里（一般用绝对路径）？可变参数？环境变量（如果传入，将覆盖掉原环境变量）？

带有 l 的接口，表示在传入 可变的 命令行参数 时，需要以 字符串 的形式逐个传入

带有 p 的接口，表示 默认在 PATH 环境变量中查找该文件

带有 e 的接口，表示需要自己传入环境变量，当然也可以传入 该头文件中定义的 extern char **environ 是 内核 / 运行时以“全局变量”形式导出的当前进程的完整环境变量表

带有 v 的接口，表示在传入 可变的 命令行参数 时，以指针数组的形式传入，所以与 带有 l 的接口分为 两派

所有 exec 系列的进程程序替换接口，除了 execve 是系统调用，其余都是包装了 execve 的 库函数。

小结及零碎知识点

程序替换 不会 创建新进程，只进行 代码和数据的 替换工作

如果替换失败 —— 替换成功不会返回，替换失败会有返回值

进程程序替换时，新程序从磁盘上加载进内存，那么 CPU 如何得知程序的入口地址？

Linux 下的可执行文件格式为 ELF。程序在编译时，链接器在生成 ELF 文件时把程序入口地址写入 ELF header（表头） 的 e_entry 字段；当 exec 系列函数 进行程序替换时，内核的 ELF 装载器解析该字段，并在返回用户态前把 CPU 的程序计数器设为该地址，新程序就从该入口开始运行。

一般 linux 中，所有进程都是 bash 的子进程，bash 通过 execve 系统调用执行我们输入的命令。

exce 系列的库函数及系统调用接口 就类似于 加载器。 

“内建命令”本质上是 shell 进程自己内部的一段 C 函数，它直接在当前 shell 进程里执行，既不会再 fork 出子进程，也不会调用任何新的可执行文件，因此当然也不是内核提供的系统调用或系统函数，就是 shell 源码里写好的函数。

如果是在 shell / bash 中执行普通命令，那么 bash 会创建子进程，通过 exce 系统调用接口，进行进程程序替换，在子进程中执行，父进程进行等待 —— 以获取进程退出码。

shell 本身环境变量从哪里来？

如果是使用服务器，用户目录下的 .bash_profile 导入

shell 的环境变量 = 从内核 / init 一路继承下来的“祖传环境” + 登录/非登录启动脚本（.bash_profile、.bashrc 等）按需修改/追加的结果。
.bash_profile 只是登录 shell 会读取的众多脚本之一，并非环境变量的“唯一来源”。