【Linux杂货铺】进程控制

🌈前言🌈

📁 进程创建

📂 fork函数

📂 写实拷贝

📂 创建进程的目的

📂 创建失败原因

📁 进程终止

📂 概念

📂 场景

📂 退出方法

📁 进程等待

📂 概念

📂等待方式

📁 进程替换

📂 原理

📂 替换函数

📂 命名解释

📁 总结

🌈前言🌈

欢迎收看本期【Linux杂货铺】，本期内容将讲解Linux中如何管理控制进程，包含了创建进程，进程终止，等待进程，进程替换等内容，期间会拓展讲解写实拷贝，系统调用接口的使用等内容。

📁 进程创建

📂 fork函数

在Linux中fork函数是非常重要的函数，是用来在已有的进程中创建一个新的进程。新进程为子进程，原有进程为父进程。

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

返回值: 有两个返回值，对于父进程返回子进程的pid,子进程返回0,出错返回-1

进程调用fork函数，内核做：

1. 分配新的内存块和内存数据结构给子进程。

2. 将父进程部分数据结构拷贝到子进程。

3. 添加子进程到系统进程列表中。

4. fork返回，开始调度器调度。

📂 写实拷贝

通常，父子进程代码共享，父子不在写入时，数据也是共享的即指向同一块内存块。当任意一方进行写入时，会创建新的内存块，不在指向同一块内存块。

因为有页表的存在，所以在上层，看见的虚拟地址是不变的，但实际的物理地址却不同。

在C/C++中，我们看到的地址都是虚拟地址，不是实际的物理内存地址，通过页表的映射，来操作物理地址上的数据。

所以，写实拷贝就是，当共享代码和数据的父子进程，任意一方修改数据时，会创建新的物理内存，改变虚拟地址与物理地址的映射，虚拟地址不变。

📂 创建进程的目的

1. 父进程希望复制自己，使父子进程执行不同的代码段。（通过if 判断来执行不同的代码）

2. 一个进程要执行一个不同的程序。（进程替换）

📂 创建失败原因

1. 系统有太多的进程。

2. 实际用户的进程数超过了限制。

📁 进程终止

📂 概念

1. 释放代码和数据占用的空间。

2. 释放内核数据结构（页表，地址空间），但是PCB延迟处理，并将进程进程设为Z（僵尸状态），等待父进程处理。

📂 场景

1. 程序运行完毕，结果正确。

2. 程序运行完毕，结果不正确。（退出码）

进程想要告诉父进程运行完毕，结果是否正确。怎么告诉呢，就有了退出码的概念。退出码的作用，就是告诉父进程，子进程退出情况是成功，还是失败，如果失败，失败原因是什么。

3. 程序异常终止。（退出信号）

异常终止的概念是，操作系统发现了进程做了不该做的事，例如野指针的使用等。本质是操作系统向进程发送信号，杀掉进程，此时，退出码没有意义。

📂 退出方法

1. main函数中，直接return。

2. exit() : 库函数，会刷新缓冲区，封装了_exit()。

3. _exit()：系统调用接口，不会刷新缓冲区。

📁 进程等待

📂 概念

子进程退出时，父进程如果不进行处理，就会造成"僵尸问题"，即子进程无法被杀死，一直存在，进而造成内存泄漏。

所以，父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息。

📂等待方式

这里介绍的是第三种方式，waitpid方式，这三个参数分别是什么意思。

返回值：

> 0 : 正常的返回时，waitpid返回收集到的子进程的进程id。

== 0 : 非阻塞等待，设置了WNOHNAG，waitpid发现没有退出的子进程可收集。

< 0 : 调用中出错，返回-1，error会被设置成相应的值以指示错误所在。例如参数给出错误的pid。

1. pid:

pid = -1,等待任意一个子进程，与wait等效。

pid > 0 ，等待进程pid与参数pid相等的子进程。

2. status：

如果想要查看进程的退出码和退出信号，可以传递一个int类型的数据，返回时，通过操作status来查看退出码和退出信息。

status参数是通过位图来操作的，最低的8位是终止信号；此地八位是退出码，通过&操作，来实现查看退出信息。

标准提供了宏函数，帮助查看进程是否是正常终止，以及退出码。

WIFEXITED(status) ：若正常终止子进程，返回值为真 >0。

WEXITSTATUS(status)：拓WIFEXITED非0，提取子进程退出码。

3.options:

进程等待分为阻塞等待和非阻塞等待。两者的区别在于进程是否可以做其他的事情。

例如，张三给李四打电话，李四说马上下来，张三就一直拿着电话，问好了吗，这就是阻塞等待。而如果张三打完电话，就打游戏，刷会视频，过了会再打一次电话，一直到李四下来，这就是非阻塞等待。

WNOHANG：若pid指定的子进程还没有结束，waitpid函数返回0，不予以等待。若正常结束，返回子进程的ID。

所以，非阻塞等待 + 循环就是实现了非阻塞轮询，就是打完电话，没下来就玩游戏，打完游戏，再打一次电话，循环往复。

📁 进程替换

📂 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个exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时，该进程的用户空间和代码和数据完全被新进程替换，从新进程的启动例程开始执行，

调用exec函数并不创建新进程，所以调用exec前后该进程id不变。

通过下图，可知，将替换进程数据覆盖到原有进程的物理内存中，此后，进程的数据就变为了替换进程的数据。

📂 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[]);

函数调用成功则会加载新的程序到启动代码处，开始执行，不在返回。调用出错返回-1.所以exec* 函数只有出错有返回值，没有成功的返回值。

其中execve是系统调用接口，其他的则是库函数。

#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);
}