深入理解Linux中进程控制

一、进程创建

fork函数初识

在Linux中，fork函数是非常重要的函数，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。

返回值：

在子进程中返回0，父进程中返回子进程的PID，子进程创建失败返回-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

fork之后，父子进程代码共享。例如：

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运行结果如下：

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这里可以看到，Before只输出了一次，而After输出了两次。其中，Before是由父进程打印的，而调用fork函数之后打印的两个After，则分别由父进程和子进程两个进程执行。也就是说，fork之前父进程独立执行，而fork之后父子两个执行流分别执行。

注意：fork之后，父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定。

fork函数返回值

fork函数为什么要给子进程返回0，给父进程返回子进程的PID？

一个父进程可以创建多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程。因此，对于子进程来说，父进程是不需要被标识的；而对于父进程来说，子进程是需要被标识的，因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的，父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程指派任务。

为什么fork函数有两个返回值？

父进程调用fork函数后，为了创建子进程，fork函数内部将会进行一系列操作，包括创建子进程的进程控制块、创建子进程的进程地址空间、创建子进程对应的页表等等。子进程创建完毕后，操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表当中，此时子进程便创建完毕了。

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也就是说，在fork函数内部执行return语句之前，子进程就已经创建完毕了，那么之后的return语句不仅父进程需要执行，子进程也同样需要执行，这就是fork函数有两个返回值的原因。

写时拷贝

当子进程刚刚被创建时，子进程和父进程的数据和代码是共享的，即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时，才将父进程的数据在内存当中拷贝一份，然后再进行修改。

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这种在需要进行数据修改时再进行拷贝的技术，称为写时拷贝技术。

为什么数据要进行写时拷贝？
为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？
代码会不会进行写时拷贝？

fork常规用法

一个进程希望复制自己，使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

fork函数创建子进程也可能会失败，有以下两种情况：

系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。
实际用户的进程数超过了限制，子进程创建失败。

二、进程终止

进程退出场景

进程退出只有三种情况：

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（进程崩溃）

进程退出码

我们都知道main函数是代码的入口，但实际上main函数只是用户级别代码的入口，main函数也是被其他函数调用的，例如在VS2013当中main函数就是被一个名为__tmainCRTStartup的函数所调用，而__tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统所调用的，也就是说main函数是间接性被操作系统所调用的。

既然main函数是间接性被操作系统所调用的，那么当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息，而这个所谓的退出信息就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回，我们一般以0表示代码成功执行完毕，以非0表示代码执行过程中出现错误，这就是为什么我们都在main函数的最后返回0的原因。

当我们的代码运行起来就变成了进程，当进程结束后main函数的返回值实际上就是该进程的进程退出码，我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息。

例如，对于下面这个简单的代码：

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代码运行结束后，我们可以查看该进程的进程退出码。

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这时便可以确定main函数是顺利执行完毕了。

为什么以0表示代码执行成功，以非0表示代码执行错误？

因为代码执行成功只有一种情况，成功了就是成功了，而代码执行错误却有多种原因，例如内存空间不足、非法访问以及栈溢出等等，我们就可以用这些非0的数字分别表示代码执行错误的原因。

C语言当中的strerror函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：

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运行代码后我们就可以看到各个错误码所对应的错误信息：

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实际上Linux中的ls、pwd等命令都是可执行程序，使用这些命令后我们也可以查看其对应的退出码。

可以看到，这些命令成功执行后，其退出码也是0。

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但是命令执行错误后，其退出码就是非0的数字，该数字具体代表某一错误信息。

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注意：退出码都有对应的字符串含义，帮助用户确认执行失败的原因，而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的，不同环境下相同的退出码的字符串含义可能不同。

进程正常退出

return退出

在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。

例如，在main函数最后使用return退出进程。

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运行结果：

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exit函数

使用exit函数退出进程也是我们常用的方法，exit函数可以在代码中的任何地方退出进程，并且exit函数在退出进程前会做一系列工作：

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函数终止进程

例如，以下代码中exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。

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运行结果：

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_exit函数

使用_exit函数退出进程的方法我们并不经常使用，_exit函数也可以在代码中的任何地方退出进程，但是_exit函数会直接终止进程，并不会在退出进程前会做任何收尾工作。

例如，以下代码中使用_exit终止进程，则缓冲区当中的数据将不会被输出。

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运行结果：

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return、exit和_exit之间的区别与联系

return、exit和_exit之间的区别

只有在main函数当中的return才能起到退出进程的作用，子函数当中return不能退出进程，而exit函数和_exit函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用。

使用exit函数退出进程前，exit函数会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再终止进程，而_exit函数会直接终止进程，不会做任何收尾工作。

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return、exit和_exit之间的联系

执行return num等同于执行exit(num)，因为调用main函数运行结束后，会将main函数的返回值当做exit的参数来调用exit函数。

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使用exit函数退出进程前，exit函数会先执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再调用_exit函数终止进程。

进程异常退出

情况一：向进程发生信号导致进程异常退出

例如，在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出，或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。

情况二：代码错误导致进程运行时异常退出

例如，代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出，或是出现除0的情况使得进程运行时异常退出等。

三、进程等待

进程等待的必要性

子进程退出，父进程如果不读取子进程的退出信息，子进程就会变成僵尸进程，进而造成内存泄漏。
进程一旦变成僵尸进程，那么就算是kill -9命令也无法将其杀死，因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。
对于一个进程来说，最关心自己的就是其父进程，因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
父进程需要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。

获取子进程status

下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。

如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status是一个整型变量，但status不能简单的当作整型来看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具体细节如下（只研究status低16比特位）：

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在status的低16比特位当中，高8位表示进程的退出状态，即退出码。进程若是被信号所杀，则低7位表示终止信号，而第8位比特位是core dump标志。

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我们通过一系列位操作，就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。


exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号

对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。

WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。
WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。


exitNormal = WIFEXITED(status);  //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  //获取退出码

需要注意的是，当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。

进程等待的方法

wait方法

函数原型：pid_t wait(int* status);

作用：等待任意子进程。

返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。

参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。

例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。


#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/wait.h"
#include "sys/types.h"
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0){
		//child
		int count = 10;
		while(count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0){
		//wait success
		printf("wait child success...\n");
		if(WIFEXITED(status)){
			//exit normal
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：


[vxbus@VM-0-15-centos procWait]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。

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waitpid方法

函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

作用：等待指定子进程或任意子进程。

返回值：

等待成功返回被等待进程的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：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程
status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL
options：当设置为WNOHANG时，若等待的子进程没有结束，则waitpid函数直接返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的pid

例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。


#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/wait.h"
#include "sys/types.h"
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child          
		int count = 10;
		while (count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father           
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if (ret >= 0){
		//wait success                    
		printf("wait child success...\n");
		if (WIFEXITED(status)){
			//exit normal                                 
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
		else{
			//signal killed                              
			printf("killed by siganl %d\n", status & 0x7F);
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。

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注意：被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

多进程创建以及等待的代码模型

上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子，实际上我们还可以同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出，这叫做多进程创建以及等待的代码模型。

例如，以下代码中同时创建了10个子进程，同时将子进程的pid放入到ids数组当中，并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标，之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。


#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/wait.h"
int main()
{
	pid_t ids[10];
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		pid_t id = fork();
		if (id == 0){
			//child
			printf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());
			sleep(3);
			exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
		}
		//father
		ids[i] = id;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
		if (ret >= 0){
			//wait child success
			printf("wiat child success..PID:%d\n", ids[i]);
			if (WIFEXITED(status)){
				//exit normal
				printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
			}
			else{
				//signal killed
				printf("killed by signal %d\n", status & 0x7F);
			}
		}
	}
	return 0;
}

运行代码，这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。

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基于非阻塞接口的轮询检测方案

上述所给例子中，当子进程未退出时，父进程都在一直等待子进程退出，在等待期间，父进程不能做任何事情，这种等待叫做阻塞等待。

实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出，而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情，当子进程退出时再读取子进程的退出信息，即非阻塞等待。

做法很简单，向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG，这样一来，等待的子进程若是没有结束，那么waitpid函数将直接返回0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的pid。

例如，父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数，若是等待的子进程尚未退出，则父进程可以先去做一些其他事，过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。


#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/wait.h"
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child
		int count = 3;
		while (count--){
			printf("child do something...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(3);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	while (1){
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
		if (ret > 0){
			printf("wait child success...\n");
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
			break;
		}
		else if (ret == 0){
			printf("father do other things...\n");
			sleep(1);
		}
		else{
			printf("waitpid error...\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

运行结果就是，父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出，若未退出，则父进程先去忙自己的事情，过一段时间再来查看，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

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四、进程程序替换

替换原理

用fork创建子进程后，子进程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），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec函数。

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，并从新程序的启动例程开始执行。

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当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？

进程程序替换之后，该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。

子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？

子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。

替换函数

替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：

一、int execl(const char *path, const char *arg, ...)

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。


execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

二、int execlp(const char *file, const char *arg, ...)

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。


execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

三、int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[])

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。


char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

四、int execv(const char *path, char *const argv[])

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。


char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);

五、int execvp(const char *file, char *const argv[])

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。


char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

六、int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[])

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。


char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);

函数解释

这些函数如果调用成功，则加载指定的程序并从启动代码开始执行，不再返回。

如果调用出错，则返回-1。

也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。

命名理解

这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：

l(list)：表示参数采用列表的形式，一一列出
v(vector)：表示参数采用数组的形式
p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找
e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量

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事实上，只有execve才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的execve，所以execve在man手册的第2节，而其它五个函数在man手册的第3节，也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。

下图为exec系列函数族之间的关系：

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做一个简易的shell

shell也就是命令行解释器，其运行原理就是：当有命令需要执行时，shell创建子进程，让子进程执行命令，而shell只需等待子进程退出即可。

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其实shell需要执行的逻辑非常简单，其只需循环执行以下步骤：

获取命令行
解析命令行
创建子进程
替换子进程
等待子进程退出

其中，创建子进程使用fork函数，替换子进程使用exec系列函数，等待子进程使用wait或者waitpid函数。

于是我们可以很容易实现一个简易的shell，代码如下：


#include "stdio.h"
#include "pwd.h"
#include "string.h"
#include "unistd.h"
#include "stdlib.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/wait.h"
#define LEN 1024 //命令最大长度
#define NUM 32 //命令拆分后的最大个数
int main()
{
	char cmd[LEN]; //存储命令
	char* myargv[NUM]; //存储命令拆分后的结果
	char hostname[32]; //主机名
	char pwd[128]; //当前目录
	while (1){
		//获取命令提示信息
		struct passwd* pass = getpwuid(getuid());
		gethostname(hostname, sizeof(hostname)-1);
		getcwd(pwd, sizeof(pwd)-1);
		int len = strlen(pwd);
		char* p = pwd + len - 1;
		while (*p != '/'){
			p--;
		}
		p++;
		//打印命令提示信息
		printf("[%s@%s %s]$ ", pass->pw_name, hostname, p);
		//读取命令
		fgets(cmd, LEN, stdin);
		cmd[strlen(cmd) - 1] = '\0';
		//拆分命令
		myargv[0] = strtok(cmd, " ");
		int i = 1;
		while (myargv[i] = strtok(NULL, " ")){
			i++;
		}
		pid_t id = fork(); //创建子进程执行命令
		if (id == 0){
			//child
			execvp(myargv[0], myargv); //child进行程序替换
			exit(1); //替换失败的退出码设置为1
		}
		//shell
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); //shell等待child退出
		if (ret > 0){
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status)); //打印child的退出码
		}
	}
	return 0;
}

效果展示：

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说明：

当执行./myshell命令后，便是我们自己实现的shell在进行命令行解释，我们自己实现的shell在子进程退出后都打印了子进程的退出码，我们可以根据这一点来区分我们当前使用的是Linux操作系统的shell还是我们自己实现的shell。

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