【Linux】————进程控制

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本篇博客专栏：Linux专栏

创作时间：2024年10月10日

一、程序地址空间：

1、C/C++中的程序地址空间：

在c++中我们了解了这样的空间分布图。

我们应如何去创建和访问变量呢？

本质就是：起始地址+偏移量（其实我们的变量类型就是偏移量）

但是上面这些其实不是内存！！！

我们下面来做一个小实验！！！

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
     pid_t id = fork();
     if(id < 0)
     {
         perror("fork");
         return 0;
     }
     else if(id == 0)    
     { 
         //child
         printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
     }
     else
     {     
         //parent
         printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
     }
 
     sleep(1);
     return 0;
}

这里我们可以看到上面这两个输出的变量和地址是相同的，这就说明子进程是按照父进程的模板得到的，父进程没有将代码进行修改，可是只要将代码稍微改一下。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
     pid_t id = fork();
     if(id < 0)
     {
         perror("fork");
         return 0;
     }
     else if(id == 0)    
     { 
         //child
         g_val = 100;
         printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
     }
     else
     {     
         //parent
         printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
     }
 
     sleep(1);
     return 0;
}

这里我们发现，两个进程的地址相同，可是对应的变量的内容竟然不同，这是为什么呢？

我们可以得出以下的结论：

变量的内容不一样，父子进程绝对不是输出的同一个变量

但地址值是一样的，说明这个地址绝对不是物理地址

在Linux下，这种地址叫做虚拟地址

我们在C/C++中看到的地址，全部都是虚拟地址，用户是看不到物理地址的，用OS统一管理

OS负责将虚拟地址转换为物理地址

2、进程地址空间：

上面的图就可以说明问题，同一个变量，地址相同，其实是虚拟地址相同，内容不同其实是被映射到了不同的物理地址。

那么我们应该如何去理解虚拟地址相同而物理地址不同的问题呢？

父进程有自己的虚拟地址，也有自己的页表
子进程被创建时，父进程会将自己的页表也给到子进程
但是子进程在改变数据时，会发生写时拷贝，物理地址改变了，但是虚拟地址没有改变

什么是地址空间？什么是区域划分？

我们在创建进程的时候不仅要有 pcb，也要管理地址空间（先描述，在组织），有一个 struct mm_struct 的结构体。

为啥要有地址空间？

1、让进程以统一的视角看待内存，通过虚拟地址加页表，可以将乱序的内存变为有序，分门别类的规划好，乱序---->有序

2、存在虚拟地址空间，可以有效地进行进程访问内存的安全检查

我们如何去理解存在虚拟地址空间，可以有效的进行进程内存的安全检查呢？

我提一个问题，我们常量区的变量为啥不能修改呢？

我们页表中除了有映射外，还有权限的限制，当进程要修改常量区的变量时，直接在页表就没有权限。

地址空间的补充

每个进程都有自己的页表。

二、进程创建：

1.作者主页

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。

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做:

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("Before: %d\n", getpid()); 
 
     pid_t id = fork();
     if(id < 0)
     {
         perror("fork");
         return 0;
     }
     else if(id == 0)    
     { 
         //child
         printf("child: %d \n", getpid());
         sleep(2);
     }
     else
     {     
         //parent
         printf("parent: %d \n", getpid());
         sleep(2);
     }
 
     
     return 0;
}

从结果中可看出，fork之前父进程独立执行，之后父子进程分别执行，执行先后由调度器完全决定

其中，默认情况下，父子进程共享代码，但是数据各有一份（但是如果父子进程只对数据进行读取，不需要私有）

程序=代码（逻辑）+数据

代码共享：所有进程共享代码，不过一般都是fork执行之后，为啥代码是共享的，因为代码不可以修改，所以是共享的

为啥各自的数据要私有一份呢，因为进程之间具有独立性，数据是很多的，且不是所有的数据都要全部拷贝，把本来可以在后面拷贝，甚至不要拷贝的数据，都拷贝了，就比较浪费时间和空间，所以拷贝的过程不是立马做的，而是写时拷贝!!!

2、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：

父子进程代码共享，数据独有:当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式拷贝一份副本

3.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。

4.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。

三、进程终止

1.进程终止的概念

main 函数的返回值可以被父进程获取的，用来判断子进程的干活的情况。

查看上一个进程的退出码

echo $?

我们父进程就可以通过这两个数字来判断子进程的退出情况。

代码异常终止，退出码就没有意义了！！！

2.进程常见退出方法

3._exit函数

_exit函数是系统调用函数。
_exit函数在终止进程的时候，不会自动刷新缓冲区。

4.exit函数

exit函数是库函数。
exit函数在终止进程的时候，会自动刷新缓冲区。

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。
关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入。
调用_exit。

四、进程等待

1.什么是进程等待

通过 wait/waitpid 的方式，让父进程（一般情况）对子进程进行资源回收等待过程！！！

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。

2.进程程序替换原理

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并未改变。