Linux之进程控制
目录
进程创建
fork()
进程终止
1.进程退出的场景
2.查看进程退出码的命令
3.进程退出的方法
进程等待
1.为什么要进行进程等待？
2.如何进行进程等待？
进程替换
1.进程替换概念：
2.进程替换原理：
3.进程替换的接口--exec*函数系列
进程创建
fork()
1.函数介绍：pid_t fork();fork函数用于创建子进程，若是创建成功，在子进程中返回0，在父进程返回新创建的子进程的id，若是创建失败，返回-1
2.调用fork函数，内核会做什么？
<1>分配资源：
1)控制进程快：内核为新创建的子进程分配一个新的 task_struct 结构体，这是进程在内核中的核心数据结构，用于存储进程的所有信息，如进程ID、状态、内存映射、文件描述符等。
2)内存空间：为子进程分配必要的内存空间，包括用户态的内存（如栈、堆）和内核态的内存
<2>复制父进程的代码和数据：
1)复制代码段、数据段、堆和栈：内核将父进程的代码段、数据段、堆和栈的内容复制到子进程中。但为了提高效率，现代Linux内核采用了写时复制（Copy-on-Write, COW）技术。这意味着在 fork() 时，实际上并没有立即复制数据，而是让父子进程共享相同的物理内存页。只有当某个进程尝试修改这些共享的内存页时，才会触发缺页异常，内核才会为修改的进程创建这些内存页的副本。
2)复制文件描述符表:复制父进程的文件描述符表，使得父子进程可以共享打开的文件。但是，每个文件描述符的引用计数会增加，以反映它被两个进程共享。
<3>初始化子进程：
1)为新创建的子进程分配一个唯一的进程ID。
2)将子进程的状态设置为不可中断睡眠状态（TASK_UNINTERRUPTIBLE），以确保在子进程完成初始化之前不会被调度执行。
<4>设置父子关系：
1)在父进程的 task_struct 中添加对新创建的子进程的引用。
2)在子进程的 task_struct 中设置父进程的引用，以及指向父进程进程组的指针
<5>执行调度：
1)内核将子进程添加到系统的进程列表中，准备进行调度。
2)返回值
3.fork函数可以有两个返回值，这是为什么呢？
答案是在进行程序调度时发生写实拷贝，子进程和父进程共享大部分的数据和代码，当执行子进程时，在物理内存上对子进程的代码和数据进行拷贝，在另一块物理内存上执行，同理执行父进程时也是如此，故而父进程和子进程在执行时实际上是两个独立的进程，每个进程都会接收fork的返回值
补充：写实拷贝
<1>概念：写实拷贝是一种内存管理策略，其核心思想是：在多个进程或线程共享同一块内存区域时，如果不进行写操作，则这些进程或线程可以共享同一块物理内存；一旦某个进程或线程尝试对共享内存区域进行写操作，操作系统会为该进程或线程分配一块新的物理内存，并将原共享内存区域的内容复制到新的内存中，以确保数据的一致性和独立性。
<2>原理：
写实拷贝技术通常通过引用计数来实现。在分配共享内存区域时，系统会多分配一些空间来存储引用计数，用于记录有多少个进程或线程正在共享这块内存。当某个进程或线程尝试对共享内存进行写操作时，系统会先检查引用计数：
***如果引用计数大于1，说明有其他进程或线程也在共享这块内存，此时系统会为该进程或线程分配一块新的物理内存，并将原共享内存的内容复制到新内存中，然后将引用计数减1。
***如果引用计数等于1，说明没有其他进程或线程在共享这块内存，此时可以直接对该内存进行写操作，无需复制。
<3>好处：提高性能，简化内存管理
进程终止
1.进程退出的场景
<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
注：若代码运行完毕，结果正确与否是通过进程退出码判断的；若进程异常终止，此时进程退出码无意义，而进程出现异常，往往是进程接收了信号
2.查看进程退出码的命令
. echo $? ：此命令用于打印最近一个程序/进程退出时的退出码（因为进程退出码会被写在进程的task_struct内部）
3.进程退出的方法
<1>在main函数内部写return
<2>使用exit(进程退出码)函数，在任何地方调用exit()，进程会结束，同时将子进程的进程退出码返回给父进程
<3>使用_exit(进程退出码)函数
| exit | _exit | |
| 头文件 | <stdlib.h> | <unistd.h> |
| 是否进行缓冲区刷新 | 是 | 否 |
| 返回值 | 将代表退出状态的整数返回 | 将代表退出状态的整数返回 |
注：exit函数底层封装了_exit函数
进程等待
1.为什么要进行进程等待？
答案是通过等待，解决内存泄漏问题，回收子进程资源；获取子进程的退出信息
2.如何进行进程等待？
<1>pid_t wait(int* status);
1)功能：使父进程等待任意一个子进程结束，并获取子进程的终止状态
2)头文件：<sys/wait.h>
3)参数解释：status:一个指向整数的指针，用于存储子进程的终止状态。如果不需要这个信息，可以传递 NULL。
4)返回值：成功返回子进程的id；失败返回-1，并设置errno指示错误信息
<2>pid_t waitpid(pid_t pid,int* status,int options);
1)功能：使父进程等待特定子进程结束，设置是否阻塞父进程模式，并获取子进程的终止状态
2)头文件：<sys/wait.h>
3)参数解释：
pid:指定要等待的子进程的进程 ID
| >0 | 等待进程 ID 等于 pid 的子进程 |
| =0 | 等待与调用进程属于同一个进程组的任意子进程 |
| <-1 | 等待进程组 ID 等于 pid 绝对值的任意子进程 |
| =-1 | 等待任意一个子进程，此时 waitpid 的行为与 wait 类似 |
status:指向整数的指针，用于存储子进程的终止状态。如果不需要这个信息，可以传递 NULL
options:设置是否阻塞，默认为0
| WNOHANG | 如果没有子进程结束，则立即返回 0，而不是阻塞等待。这允许父进程以非阻塞的方式检查子进程的状态 |
| WUNTRACED | 除了等待终止的子进程外，还等待被暂停（stopped）的子进程 |
4)返回值：
>0说明等待结束，返回子进程的id；
=0说明调用结束，但是子进程没有退出；
<0说明等待失败，并设置errno指示错误信息
进程替换
1.进程替换概念：
进程替换允许一个进程在运行过程中被另一个新的进程完全替换，在进程替换发生时，原有进程的代码、数据和资源会被新的进程所取代，新进程开始执行，原有进程的执行状态和上下文信息会被丢弃。
2.进程替换原理：
父进程通过fork函数创建子进程，子进程内部调用exec*系列函数来执行新进程。exec 系列函数不会创建新进程，而是直接用新程序替换当前进程的内容,一旦替换完成，后续代码将不在执行。调用 exec 函数后，当前进程的代码和数据完全被新程序替换，从新程序的启动例程（通常是 main 函数）开始执行。尽管进程的代码和数据被替换了，但进程的 ID（PID）、父进程 ID（PPID）、文件描述符等关键信息会被保留。在进程替换之后，父进程仍然可以通过原来的 PID 来等待子进程的结束
3.进程替换的接口--exec*函数系列
<1>int execl(const char* path,const char* arg,...);
直接接受参数列表和环境变量（或继承当前环境变量）
<2>int execlp(const char* file,const char* arg,...);
接受程序名而不是路径，并使用PATH环境变量来查找程序
<3>int execv(const char* path,const char* argv[]);
接受参数列表作为数组，并继承当前环境变量。
<4>int execvp(const char* file,const char* argv[]);
类似于execv，但接受程序名并使用PATH环境变量查找。
<5>int execvpe(const char* file,const char* argv[],char* const envp[]);
1)参数解释：
path:路径+程序名，用于解释我要执行什么
file:要执行的文件名（因为会自动在环境变量PATH中查找指定命令）
arg:可变参数列表，命令行怎么写，我就怎么写，最后要以NULL结尾
argv[]:参数列表数组，第一个元素是程序名，最后一个元素是NULL
envp[]:存放环境变量的指针数组列表
2)返回值：成功不返回任何东西；失败返回-1，并设置errno指示错误信息
3)若要将新的环境变量添加到子进程内？
方法一：使用putenv()，在哪个进程调用它，就在哪个进程新增环境变量
方法二：使用extern char** environ;声明，再调用execvpe(file,argv[],envp[],environ)函数