1. 进程创建fork/vfork

1.1.fork函数初识

在linux中fork函数时非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
//返回值：自进程中返回0，父进程返回子进程id，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

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它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，看如下程序。

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<stdlib.h>    
    
    
int main()    
{    
    //printf("test makefile\n");    
    pid_t ret;    
    printf("Before: pid is %d\n", getpid());    
    ret = fork();    
    if(ret== -1){    
        perror("fork:");    
        exit(1);    
    }    
    else{    
        printf("after: pid is %d ; return is %d\n", getpid(),ret);    
    }    
    
    return 0;    
} 

这里打印了一个before，但是打印了两次after。
所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器 决定。

结论

子进程和父进程是以写时拷贝的方式保证进程的独立性的。代码一般公用。可以通过判断fork返回值，来让子进程和父进程执行不同的代码片段。

1.2.fork函数返回值

进程返回0， 父进程返回的是子进程的pid。

理解要给父进程分会子进程的pid，给子进程返回0？

fork（）的实现在，操作系统内核空间中，是一个存在于在内核空间的一个函数。

fork函数，在内部完成1.创建子进程pcb，2.赋值，3.创建子进程地址空间，4.赋值，5.设置子进程页表，6.将子进程pcb放入进程队列中------ ，最后返回 pid。

当走到返回的时候核心代码已经执行完了，已经是两个执行流了，子进程已经被创建了出来，并且执行了return pid指令。

返回的本质就是写入，所以谁先返回，谁就写入ret ，因为进程具有独立性，后返回的那个会发生写时拷贝。

所以同一个ret，地址是一样的，但是内容却不一样。

1.3.写时拷贝

通常，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。

具体见下图:

1.4.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。

1.5.fork调用失败的原因

系统中有太多的进程

//这个代码可以测试此机器，能创建多少进程。
int main()
{
    int cnt =0;
    while(1){
        cnt++;
        int ret = fork();
        if(ret==0){while(1);}//让子进程一直循环等待。
        if(ret <0){printf("%d",cnt);}
    }
}

实际用户的进程数超过了限制

2. 进程终止

2.1.main函数的返回值

以前我们在写c/c++程序的的时候，都会首先写main函数，最后都会 “ return0；"

这个“ return 0 ”就是进程退出的时候，对应的退出码。

退出码用来标定执行的结果是否正确。

int main()    
{    
    int a =1,b=2;    
    if((a+b) == 3)    
        return 0;    
    else    
        return 1;    
}

当我们的程序跑完了，可以查看退出码知道是否执行正确。

2.2.查看进程退出码

可以通过 echo $? 查看进程退出码

? : 是shell的一个变量，永远记录最近一个进程咋在命名行中执行完毕时对应的退出码
（main->return ? ;)

echo $?:是查看这个变量的值

为什么下面是 0 ？

因为echo也是一个进程。

2.3.如何设置进程退出码

如果一个进程不关心进程退出码，直接return 0 即可

如果未来我们需要关系进程退出码的时候，就返回特点数据表明特点的错误。

一般用 0 表示成功，用非0表示错误。

用不同的非0数字表示不同的错误。数字对人不友好，对计算机很友好。

一般而言，退出码都有对应的退出码文字描述。
这里的文字描述，1.可以自定义，2.可以使用系统当中的映射关系（不太使用）

strerror（int error）:查看系统退出码的系统映射关系。

系统指令 都遵循系统给出的那一套退出码对应的退出信息。

2.4.进程退出的情况

代码运行完毕，结果正确 。return ->0

代码跑完了，结果不正确。return -> !0 //退出码这个时候起作用

代码没跑完，程序异常了。 //退出码无意义。

程序如何退出？

1.main函数return 返回。
2.任意地方调用exit（）；

exit和return的区别。

return：函数返回
exit：进程终止

_exit 和exit 的区别

exit是库函数
_eixt是系统调用

eixt底层调用了_exit

库函数是在系统调用接口之上的，exit是对_exit的封装。
exit会在进程终止前做一些其他事情，例如：刷新缓冲区.....

从这里可以看出我们以前语言级别的缓冲区是用户级别的缓冲区（在用户空间），是在系统调用之上的，一般系统调用不会刷新，用户级的缓冲区。库函数才能刷新用户级别的缓冲区。（后面基础IO文章会写到）

exit函数

exit最后也会调用exit, 但在调用exit之前，还做了其他工作。
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，所有的缓存数据均被写入
3. 调用_exit

2.5.常见的进程退出方式

正常退出

1. 从main返回
2. 调用exit
3. _exit

异常退出

ctrl + c，信号终止
kill -9 ,杀死进程

_exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
//参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
//说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。
//所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255。

exit函数

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

return退出

return是一种更常见的退出进程方法。在main函数中执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数。

3. 进程等待

3.1.进程等待的介绍

之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏

另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。

最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如:子进程运行完成，结果对还是不对， 或者是否正常退出

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

案例1：wait回收子进程资源

案例2：waitpid获取子进程退出信息

3.2.进程等待的方法

3.2.1.wait方法

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);//相当于waitpid（-1，&status，0）;
子进程没有退出的时候会一直等着子进程退出.
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
 status子进程退出信息的位图.

3.2.2.waitpid方法

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(等待)到的子进程的进程PID；
 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：
 Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
 Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
 status:
 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）
 WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
 options://可以控制阻塞等待和非阻塞等待
 WNOHANG: 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。
WNOHANG:非阻塞等待.

如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
如果不存在该子进程，则立即出错返回

3.3.子进程退出信息(status)

wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。
status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待.

具体细节如下图（status有32个比特位,只研究status低16比特位）：

终止信号表示程序是否正常退出,如果终止信号位0,表示程序正常退出,如果终止信号不为0,程序异常结束.退出码位置(次低8位)未使用.信号的不同就是错误的不同.

正常退出:

异常退出1:操作系统给进程终止信号

异常退出2:自己给进程传入终止信号

查看status的宏

查看status里面的子进程终止信号和子进程退出结果的时候,可以使用位运算的方式.
终止信号:(status&0x7F) , 退出码:(status>>8)&0xFF

也可以使用定义的一些宏来实现.

WIFEXITED(status) 如果子进程正常结束则为非0值。
WEXITSTATUS(status) 取得子进程退出码代码，一般会先用WIFEXITED 来判断是否正常结束才能使用此宏。

WIFSIGNALED(status) 如果子进程是因为信号而结束则此宏值为真
WTERMSIG(status) 取得子进程中止信号代码，一般会先用WIFSIGNALED 来判断后才使用此宏。

WIFSTOPPED(status)如果子进程处于暂停执行情况则此宏值为真。一般只有使用WUNTRACED 时才会有此情况。
WSTOPSIG(status)取得引发子进程暂停的信号代码，

查看所有的终止信号:

kill -l :罗列出所以的退出信号.

僵尸进程的status的信息存放在哪里呢?

子进程在僵尸状态后,可以理解为他的代码和数据可以被os释放掉,但是退出信息一定要保存下来供父进程查看.

子进程的退出信息保存在子进程的PCB中

父进程通过wait/waitpid ,获取子进程的退出信息,让子进程进入死亡状态.

所以等待的本质就是,检测子进程的退出信息,将子进程退出信息通过status拿回来.

wait/waitpid的本质就是,os去检测子进程PCB中退出信息,将子进程填写带status中.

进程退出会进入僵尸状态, 会把自己的退出信息写到自己的PCB中,
wait和waitpid是一个系统调用,os有资格去读取子进程的PCB.从而拿到子进程的退出信息.

3.4.阻塞等待和非阻塞等待

阻塞等待

非阻塞等待

非阻塞等待不会占用,父进程全部的时间,它可以在轮询的时候执行别的代码.

4. 进程替换

4.1.进程替换的目的

a.想让子进程执行父进程代码的一部分（子进程执行父进程磁盘中代码的一部分）。

b.想让子进程执行一个全新的程序（让子进程想办法重新磁盘上指定的程序，执行新的代码和数据）。

调用系统的程序

调用自己的程序

//第一个参数是相对路劲或者绝对路劲

4.2.替换原理

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并不改变

父进程直接替换

通过子进程替换

这就是为什么刚刚运行的原程序第二个Printf并未执行。

exec是一个函数，只要是函数就有可能调用失败，就是没有替换成功，就是没有替换。
成功就不会执行exec函数以后的代码，出错了就是没有替换，还会执行exec函数以后的代码。

这里的exec函数只有在出错的时候才有返回值。

因为进程具有独立性，所以一般都是创建子进程后再进程函数替换，这样子进程不会影响父进程的执行。

4.3.替换函数

C语言库中的6个函数替换

这些都是用系统调用封装的函数

库函数execl

库函数execlp

库函数execle

上面我们发现，我们导入自己的环境变量就不能使用系统的环境变量，使用系统的环境变量就不能使用我们自己定义的环境变量。

这个时候需要putenv

putenv("MYENV=xxxxxx")；将指定的变量导入到系统的环境变量表中。

库函数execv

库函数execvp

库函数execvpe

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。
如果调用出错则返回-1
所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

4.4.命名理解

库函数exec

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。

l(list) : 表示参数采用列表（参数一个一个传入）
v(vector) : 参数用数组（以数组指针的方式传入）
p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH（不用告诉我具体路劲）
e(env) : 表示自己维护环境变量（自己传入环境变量）

系统调用execve

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它六个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在
man手册第3节。

这些函数之间的关系如下图所示.

我们的程序,要执行必须要加载到内存,如何加载呢?
Linux exec* 系列的函数,也叫加载器.

4.5.替换其他语言的程序

首先我们知道肯定可以替换C语言的程序，系统的命令就是C语言写的。

也可以替换别的语言比如：

c++语言，python，shell，Java

程序替换，可以使用程序替换，替换掉任何后端语言对应的可执行程序。

5. 模拟实现shell程序

5.1.思路

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束。

然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序 并等待这个进程结束。

所以要写一个shell，需要循环以下过程:

1. 获取命令行
2. 解析命令行
3. 建立一个子进程（fork）
4. 替换子进程（execvp）
5. 父进程等待子进程退出（wait）

根据这些思路，和我们前面的学的技术，就可以自己来实现一个shell了。

5.2.代码实现

#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>                                                                                                                                                                           


#define NUM 1024
char linecommand[NUM];
char* argv_[60];
int lastcode =0;
int lastsig = 0;

int main()
{
    while(1){
//打印提示符
        printf("用户名@主机名 当前路劲#");
        fflush(stdout);
//获取用户输入
        char* str = fgets(linecommand, NUM-1, stdin);
        assert(str != NULL);
        (void)str;
        //清楚最后一个\n的字符，
        //因为我们输入完成后会敲入一个回车键，回车也会被获取到linecommand中
        linecommand[strlen(linecommand)-1] = '\0';//消除最后的回车键
        //printf("%s\n",linecommand);//获取成功
        
//分割linecommand，
        argv_[0] = strtok(linecommand," ");
        int i = 1;
        //处理ls的颜色和缩写
        if(strcmp(argv_[0],"ll") == 0){argv_[0] = (char*)"ls";argv_[i++] = (char*)"-l";}
        if(strcmp(argv_[0],"ls") == 0){argv_[i++] = (char*)"--color=auto";}
        while((argv_[i++] = strtok(NULL, " "))!=NULL);
        
        //处理cd 和 echo这样的内建命令
        if(argv_[0] != NULL && strcmp(argv_[0], "cd")== 0){
            if(argv_[1] != NULL)chdir(argv_[1]);
            continue;
        }
        if(argv_[0] != NULL && argv_[1] != NULL && strcmp(argv_[0], "echo")==0){
            if(strcmp(argv_[1], "$?")==0)
                printf("code:%d sig:%d\n", lastcode,lastsig);
            else
                printf("%s\n",argv_[1]);
            continue;
        }

//创建子进程，进行程序替换
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);
        if(id == 0 )
        {
            execvp(argv_[0], argv_);
            exit(1);
        }

        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);//阻塞等待
        assert(ret > 0);
        (void)ret ;
        lastcode = ((status>>8)&0xff);
        lastsig = (status&0x7f);

    }
} 

chdir：修改程序运行地址

假如我们不用chdir处理cd ，我们无论怎么cd， 当再次去执行pwd的时候都是myshell所在的目录。是因为cd只是修改了子进程的运行目录，修改完子进程的运行目录后子进程就没有了，退出了，父进程还是在myshell运行目录下，所以cd命令不需要，创建子进程，直接修改myshell进程的运行目录即可。chdir就可以修改。

内建命令也解释了，为什么echo 可以打印，本地变量。也可以打印环境变量。