Linux：進程控制（創建、終止、等待、替換）

進程控制（創建、終止、等待、替換）

進程創建（fork）

fork之後系統裏多了一個進程，也就意味着多了一套PCB。

fork（用於創建子進程）

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

fork函數返回值：子進程返回0，父進程返回子進程pid，出錯返回-1

進程調用fork，當控制轉移到內核中的fork代碼後，內核做：

• 分配新的內存塊和內核數據結構給子進程
• 將父進程部分數據結構內容拷貝至子進程
• 添加子進程到系統進程列表當中
• fork返回，開始調度器調度
  
  也就是說子進程繼承了父進程的代碼，父子進程數據以寫時拷貝的方式各自私有一份。
  寫時拷貝：
  父子代碼共享，父子再不寫入時，數據也是共享的，當任意一方試圖寫入，便以寫時拷貝的方式各自一份副本。
  

fork常規用法

• 一個父進程希望複製自己，使父子進程同時執行不同的代碼段。例如，父進程等待客戶端請求，生成子進程來處理請求。
• 一個進程要執行一個不同的程序。例如子進程從fork返回後，調用exec函數。

fork調用失敗的原因

• 系統中有太多的進程
• 實際用戶的進程數超過了限制

進程終止（exit）

進程退出一共有三種情況：

1. 代碼運行完畢，結果正確
2. 代碼運行完畢，結果錯誤
3. 代碼異常終止

進程的退出方法：

1. 從main函數return返回
2. 調用exit
3. _exit

exit函數

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

參數：status 定義了進程的終止狀態（可以用0或非0表示），父進程通過wait來獲取該值

_exit函數

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

參數：status 定義了進程的終止狀態（可以用0或非0表示），父進程通過wait來獲取該值

exit和_exit的區別如下圖：

進程等待（wait、waitpid）

進程等待必要性

• 當子進程退出時，我們想要知道交給子進程的任務它完成的如何，因此我們需要等待子進程來獲取子進程的退出信息。
• 如果子進程退出，父進程不管它，那麼就會造成殭屍子進程的問題，如果有無數個進程都這樣做，那麼就會產生無數的殭屍進程，殭屍進程要佔用資源，要進行數據維護，那麼就會產生內存泄漏問題。
• 通過進程等待的方式來回收子進程資源。當父進程等待成功並拿到子進程的退出信息時，子進程就可以被操作系統回收了。

具體怎麼等待呢？
當進程在運行時進程狀態通常是R狀態，如果此時父進程需要等待子進程，那麼操作系統就會把父進程的狀態設置爲非R狀態，然後把父進程的PCB放到在該進程下的等待隊列中進行等待。那如果現在子進程運行完了，父進程此時就要被喚醒了，那麼怎麼喚醒呢？很簡單，操作系統把父進程的PCB從等待隊列中拿出來，然後把父進程的狀態由非R狀態變爲R狀態即可。（注：這種情況是阻塞式等待）

進程等待方法

wait

wait：等待任意一個子進程

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);

返回值：
成功返回被等待進程pid，失敗返回-1。
參數：
輸出型參數，獲取子進程退出狀態,不關心則可以設置成爲NULL

waitpid

waitpid： 可以等待指定id的進程，也可以等待任意一個子進程

#include <sys/types.h>
#include <wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int options)；

返回值：
當正常返回的時候waitpid返回收集到的子進程的進程ID；
如果設置了選項WNOHANG,而調用中waitpid發現沒有已退出的子進程可收集,則返回0；
如果調用中出錯,則返回-1,這時errno會被設置成相應的值以指示錯誤所在。
參數：
pid： 要等待的子進程的id（如果將該值設置爲-1，則等待任意一個子進程）
status： 子進程的退出信息（輸出型參數）

宏：WIFEXITED(status): 若爲正常終止子進程返回的狀態，則爲真。（查看進程是否是正常退出） 位操作：status&0x7F
宏：WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子進程退出碼。（查看進程的退出碼） 位操作：（status>>8）&0xFF

options: 等待方式（默認是阻塞等待）

WNOHANG（非阻塞等待）: 若pid指定的子進程沒有結束，則waitpid()函數返回0，不予以等待。若正常結束，則返回該子進程的ID。

waitpid裏的status參數：
父進程按理說是不可以拿到子進程的退出信息的，但是父進程想通過status拿到子進程的退出信息，卻是可以的，這是爲什麼呢？因爲waitpid是系統調用，在進行調用waitpid函數時，父進程會陷入內核，權限會提升，操作系統就可以幫父進程拿到子進程的退出信息，waitpid剛好傳了一個status參數，操作系統就把子進程的退出信息放在status參數裏，進行傳出，所以status是輸出型參數。

0-7比特位表示是否正常退出，或者收到什麼信號
8-15比特位表示退出時的退出狀態（退出碼），如果被信號所殺則沒有此部分的數據

進程程序替換（exec*函數）

用fork創建子進程後執行的是和父進程相同的程序(但有可能執行不同的代碼分支),子進程往往要調用一種exec函數以執行另一個程序。當進程調用一種exec函數時,該進程的用戶空間代碼和數據完全被新程序替換,從新程序的啓動例程開始執行。調用exec並不創建新進程,所以調用exec前後該進程的id並未改變。

進程程序替換函數

#include <unistd.h>
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[]);

l(list) : 代表傳參的時候是以列表的形式去呈現
v(vector) : 代表傳參的時候是以指針數組的形式去呈現
p(path) : 有p自動搜索環境變量PATH（有p的函數默認會去PATH路徑下查找）
e(env) : 表示自己維護環境變量（說明需要主動的添加一些自己定義的環境變量）

注意事項：

1. 有六個函數，但是execve纔是系統調用接口，其他的五個都是封裝的
2. 一旦進行了程序替換，那麼說明以前的代碼和數據都被替換掉了，也就是說程序替換沒有成功時的返回值

簡單的進程程序替換函數使用：

#include <unistd.h>
int main()
{
	char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
	char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
	execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 帶p的，可以使用環境變量PATH，無需寫全路徑
	execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 帶e的，需要自己組裝環境變量
	execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
	execv("/bin/ps", argv);
	// 帶p的，可以使用環境變量PATH，無需寫全路徑
	execvp("ps", argv);
	// 帶e的，需要自己組裝環境變量
	execve("/bin/ps", argv, envp);
	exit(0);
}