Linux：进程控制（创建、终止、等待、替换）

进程控制（创建、终止、等待、替换）

进程创建（fork）

fork之后系统里多了一个进程，也就意味着多了一套PCB。

fork（用于创建子进程）

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

fork函数返回值：子进程返回0，父进程返回子进程pid，出错返回-1

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

• 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
• 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
• 添加子进程到系统进程列表当中
• fork返回，开始调度器调度
  
  也就是说子进程继承了父进程的代码，父子进程数据以写时拷贝的方式各自私有一份。
  写时拷贝：
  父子代码共享，父子再不写入时，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一份副本。
  

fork常规用法

• 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。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
• 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。

fork调用失败的原因

• 系统中有太多的进程
• 实际用户的进程数超过了限制

进程终止（exit）

进程退出一共有三种情况：

1. 代码运行完毕，结果正确
2. 代码运行完毕，结果错误
3. 代码异常终止

进程的退出方法：

1. 从main函数return返回
2. 调用exit
3. _exit

exit函数

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

参数：status 定义了进程的终止状态（可以用0或非0表示），父进程通过wait来获取该值

_exit函数

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

参数：status 定义了进程的终止状态（可以用0或非0表示），父进程通过wait来获取该值

exit和_exit的区别如下图：

进程等待（wait、waitpid）

进程等待必要性

• 当子进程退出时，我们想要知道交给子进程的任务它完成的如何，因此我们需要等待子进程来获取子进程的退出信息。
• 如果子进程退出，父进程不管它，那么就会造成僵尸子进程的问题，如果有无数个进程都这样做，那么就会产生无数的僵尸进程，僵尸进程要占用资源，要进行数据维护，那么就会产生内存泄漏问题。
• 通过进程等待的方式来回收子进程资源。当父进程等待成功并拿到子进程的退出信息时，子进程就可以被操作系统回收了。

具体怎么等待呢？
当进程在运行时进程状态通常是R状态，如果此时父进程需要等待子进程，那么操作系统就会把父进程的状态设置为非R状态，然后把父进程的PCB放到在该进程下的等待队列中进行等待。那如果现在子进程运行完了，父进程此时就要被唤醒了，那么怎么唤醒呢？很简单，操作系统把父进程的PCB从等待队列中拿出来，然后把父进程的状态由非R状态变为R状态即可。（注：这种情况是阻塞式等待）

进程等待方法

wait

wait：等待任意一个子进程

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

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,不关心则可以设置成为NULL

waitpid

waitpid： 可以等待指定id的进程，也可以等待任意一个子进程

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

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errno会被设置成相应的值以指示错误所在。
参数：
pid： 要等待的子进程的id（如果将该值设置为-1，则等待任意一个子进程）
status： 子进程的退出信息（输出型参数）

宏：WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出） 位操作：status&0x7F
宏：WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码） 位操作：（status>>8）&0xFF

options: 等待方式（默认是阻塞等待）

WNOHANG（非阻塞等待）: 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。

waitpid里的status参数：
父进程按理说是不可以拿到子进程的退出信息的，但是父进程想通过status拿到子进程的退出信息，却是可以的，这是为什么呢？因为waitpid是系统调用，在进行调用waitpid函数时，父进程会陷入内核，权限会提升，操作系统就可以帮父进程拿到子进程的退出信息，waitpid刚好传了一个status参数，操作系统就把子进程的退出信息放在status参数里，进行传出，所以status是输出型参数。

0-7比特位表示是否正常退出，或者收到什么信号
8-15比特位表示退出时的退出状态（退出码），如果被信号所杀则没有此部分的数据

进程程序替换（exec*函数）

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替换,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前后该进程的id并未改变。

进程程序替换函数

#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) : 代表传参的时候是以列表的形式去呈现
v(vector) : 代表传参的时候是以指针数组的形式去呈现
p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH（有p的函数默认会去PATH路径下查找）
e(env) : 表示自己维护环境变量（说明需要主动的添加一些自己定义的环境变量）

注意事项：

1. 有六个函数，但是execve才是系统调用接口，其他的五个都是封装的
2. 一旦进行了程序替换，那么说明以前的代码和数据都被替换掉了，也就是说程序替换没有成功时的返回值

简单的进程程序替换函数使用：

#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);
	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
	// 带e的，需要自己组装环境变量
	execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
	execv("/bin/ps", argv);
	// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	execvp("ps", argv);
	// 带e的，需要自己组装环境变量
	execve("/bin/ps", argv, envp);
	exit(0);
}