[Linux 进程控制(二)] 写时拷贝 - 进程终止

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文章目录

  • 1、写时拷贝
  • 2、进程终止
    • 2.1 进程退出场景
      • 2.1.1 退出码
      • 2.1.2 错误码
      • 错误码 vs 退出码
      • 2.1.3 代码异常终止引入
    • 2.2 进程常见退出方法
      • 2.2.1 exit函数
      • 2.2.2 _exit函数

本片我们主要来讲进程控制，讲之前我们先把写时拷贝理清，然后再开始讲进程控制。

1、写时拷贝

我们第一篇进程文章中，讲到了系统接口fork()创建子进程，最后我们提了五个问题，第五个问题：如何理解同一个id变量，怎么会有不同的值？ 写时拷贝将为你解答该问题。记不清的伙伴点这里回顾那篇文章
通常，父子代码共享，父子在不写入时，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：
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当父进程创建子进程之后，子进程的页表是拷贝父进程的，但子进程要在数据段进行写入(代码段不支持修改)，就需要重新申请空间，将原数据拷贝后再做写入（我们并不是将整块数据进行改写的，可能只是修改部分数据），并修改页表，这部分工作是由操作系统做的。 但是该工作是需要时机的，操作系统并不知道你什么时候是要做写入的。
我们先说一个**结论**：父进程创建子进程的时候，首先将自己的读写权限改为只读，然后再创建子进程。

用户是不知道的！用户将来可能会对数据（权限为读写，代码段是只读） 进行写入！此时，页表的转换会因为权限问题出错，这时操作系统就接入了。但是出错也分真假：

  • 真出错。代码段是不可以写入的，但是我们修改的区域在code_start~code_end(代码区起始结束区域)，这时就是越界/真出错。
  • 假出错。对数据区的写入，数据区是可以读写的，只是我们页表中改成了只读。这样的不是出错，是触发进行重新申请内存，拷贝内容的策略机制。

我们终于明白了，子进程拷贝下父进程的页表后，将数据对应的页表条目权限改为只读，通过让操作系统触发异常的方式，让操作系统帮我们进行写时拷贝的，完成后再把对应的页表条目改为读写，没有写入的依旧是只读。

2、进程终止

我们先来提出一个 问题：我们C语言代码main函数最后都有一个return 0，返回0时给谁返回呢？
main函数也是被调用的，所以注定谁调用就给谁返回。我们写一段代码来看看：

#include <stdio.h>

int main()
{
    
    return 10;
}

我们main函数中什么都不写，直接返回值为10。
当编译运行后，它的父进程是bash，会将返回值交给父进程，用指令echo $?获取刚刚的结果。
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打印出来这是现象。
？是环境变量，保存的是最近一个子进程执行完毕的退出码。
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第二次查看退出码为0，是因为上一个echo执行是成功的，0代表了成功。
由此我们展开下面的话题：

2.1 进程退出场景

  • 代码运行完毕，结果正确
  • 代码运行完毕，结果不正确
  • 代码异常终止

2.1.1 退出码

在多进程环境中，我们创建子进程就是为了帮我们去做事，这里“我们”是父进程，子进程事做的怎么样，父进程是需要知道的。在main函数中，返回值0代表正确，非0代表错误，父进程就是依靠返回值来判断是否正确的做完了任务。
当返回0，正确大家不会关心这个过程；但是返回非0，意味着错误，我们最想知道的是错误的原因是什么。所以我们可以用不同的数字表示不同的原因！但是不便于人阅读，所以我们需要一些能够将数字转化成错误码的字符串描述方案。C语言给我们有提供一批接口，我们也可以自定义一批我们自己的错误码与错误信息，把不同数字转化成不同出错原因的接口：
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我们写一段代码来打印一下所有的退出码与对应的信息：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    for(int i = 0; i < 200; i++)
    {
        printf("%d: %s\n", i, strerror(i));
    }
    return 0;
}

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这就是退出码，不同的退出码代表不同的出错原因。
我们来举例子看一下：
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退出码是2，错误信息描述是没有这样的文件或目录。跟我们上面查看的退出码以及对应信息是匹配的。
结论：main函数的退出码是可以被父进程获取的，用来判断子进程的运行结果。

2.1.2 错误码

C语言还有一个错误码，errno，我们下面来学一下看看有什么不同：
我们先写一个代码测试一下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    printf("before: %d\n", errno);
    FILE* fp = fopen("./log.txt", "r");
    printf("after: %d, error string: %s\n", errno, strerror(errno));

    return 0;
}

我们当前路径下是不存在log.txt文件的，以读的方式打开肯定是错误的，我们打开前输出一次，打开后输出一次。
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这说明，错误码会在调用接口的时候被设置。

错误码 vs 退出码

  • 错误码通常是衡量一个库函数或者是一个系统调用(Linux内核也是用C语言写的，所以它也可以访问errno)函数的调用情况。
  • 退出码通常是一个进程退出的时候，他的退出结果。
  • 相同点：当失败时，用来衡量 函数/进程 出错时的出错详细原因。

当我们写的代码有多个系统接口和库函数，我们可以把退出码和错误码设置成一致：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int ret = 0;
    printf("before: %d\n", errno);
    FILE* fp = fopen("./log.txt", "r");
    if(NULL == fp)
    {
        printf("after: %d, error string: %s\n", errno, strerror(errno));
        ret = errno;
    }

    return ret;
}

strerror()函数可以将错误码转化成错误信息。
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错误信息一输出用户就知道是哪出错了，echo $? 输出的退出码父进程bash也就知道了。

2.1.3 代码异常终止引入

代码异常终止，一般代码都没跑完，退出码也就没意义了。
我们举两个异常的例子：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    printf("before: %d\n", errno);
    FILE* fp = fopen("./log.txt", "r");
    if(NULL == fp)
    {
        printf("after: %d, error string: %s\n", errno, strerror(errno));
    }

    int a = 10;
    a /= 0; // 除0错误

    return 0;
}

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    printf("before: %d\n", errno);
    FILE* fp = fopen("./log.txt", "r");
    if(NULL == fp)
    {
        printf("after: %d, error string: %s\n", errno, strerror(errno));
    }

    int* ptr = NULL;
    *ptr = 10; // 野指针

    return 0;
}

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野指针一般是段错误。
代码跑起来之后就是进程，出问题是进程异常了，异常后它就不跑了，操作系统管理的进程，其实是操作系统把进程杀掉了（通过发送信号的方式杀掉的）。
我们查看一下信号：
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可以看到SIG前缀是统一的，我们刚才的两个错误分别可以转换为8号与11号信号，FPE代表Floating point exception，SEGV代表Segmentation fault。
我们再来测试一下，看看其他的信号可不可以杀掉不是对应问题的进程：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    while(1)
    {
        printf("I am a normal process: %d\n", getpid());
    }

    return 0;
}

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我们发现，其实代码并没有错误，但是用户用的8号信号杀掉的进程，所以显示的就是8号所对应的异常信息。
结论：进程出异常，异常信息会被操作系统检测出来，进而转换为信号然后杀掉进程。
最后，子进程把父进程交给的任务完成的怎么样，只要守好退出码和信号编号（为0就是正确，因为错误码从1开始的）两个数字就可以很好的监督任务的完成程度。

2.2 进程常见退出方法

2.2.1 exit函数

我们先来查看一下exit怎么使用！
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结论：参数是进程的退出码，类似于main函数的return n。
了解了使用方法，我们来写一段代码试试：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("I am a process, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
    exit(12); // 参数是进程的退出码，类似于main函数的return n

    //return 0;
}

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我们再来看一个场景：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int func()
{
    printf("call func function done!\n");
    // 任意地点调用exit，表示进程退出，不进行后续执行
    exit(21);
}

int main()
{
    func();

    printf("I am a process, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
    // 参数是进程的退出码，类似于main函数的return n
    exit(12);

    //return 0;
}

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结论：任意地点调用exit，表示进程退出，不进行后续执行。
我们可以在验证一下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int func()
{
    printf("call func function done!\n");
    // 任意地点调用exit，表示进程退出，不进行后续执行
    exit(21);
}

int main()
{
    exit(31);
    
    func();

    printf("I am a process, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
    // 参数是进程的退出码，类似于main函数的return n
    exit(12);

    //return 0;
}

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经过这次的验证说明我们得出的结论是正确的。

2.2.2 _exit函数

依旧先查看怎么使用！
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我们来使用一下试试：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int func()
{
    printf("call func function done!\n");
    return 11;
}

int main()
{
    func();

    printf("I am a process, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
    // 参数是进程的退出码，类似于main函数的return n
    exit(12);

    //return 0;
}

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我们发现和exit的现象是一样的。
我们再来看看：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int func()
{
    printf("call func function done!\n");
    //return 11;
    // 任意地点调用exit，表示进程退出，不进行后续执行
    _exit(21);
}

int main()
{
    func();

    printf("I am a process, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
    // 参数是进程的退出码，类似于main函数的return n
    //_exit(12);

    //return 0;
}

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我们看到，_exit和exit 它两表现出的结果是一致的，但是这并不能说明它两没有区别！
为了让大家看到不一致性，我们继续写代码来观察：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("you can see me!");
    sleep(3);
    exit(1);
}

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我们打印的字符串没有\n，因为缓冲区的原因，字符串不会立即刷新出来，在进程退出后，exit对缓冲区强制刷新，才将字符串打印在屏幕上！
我们这次改为_exit来试试：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("you can see me!\n");
    sleep(3);
    _exit(1);
}

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我们发现，_exit函数并不会在进程退出时对缓冲区做强制刷新！
结论：

  • exit是库函数（3号手册），_exit是系统调用（2号手册）；
  • exit终止进程的时候，会自动刷新缓冲区。_exit终止进程的时候，不会自动刷新缓冲区（直接将数据扔掉了）。
  • 我们目前知道的缓冲区，绝对不在操作系统内部！（具体的后面再详谈）
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