Linux进程控制
1.进程创建
1.1.fork()函数常规用法
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
1.2 .fork()函数创建失败的原因
系统中有太多的进程。
实际用户的进程数超过了限制 。
2.进程退出
2.1退出码
概念：main函数的返回值，又叫做进程的退出码。
代码执行成功，程序能够执行到main函数的末尾并返回，而不是说程序中的每一行都按预期执行了，因为有些错误不能被捕获或者导致程序提前退出了。
非0返回值，通常用于表示不同类型错误/异常的原因，退出码的字符串含义取决于程序的设计者。
退出码：分为 0 和 !0
0：表示程序正常运行，进程执行成功。
!0：表示程序异常退出，进程执行失败。非零又用1 2 3 4等等，数字表示不同的错误信息
bash会自动记录上一个程序的退出码 ： echo $?
2.2将错误码转化为错误描述
2.2.1利用系统自带的方法进行转化
错误信息大概133种，自己可以去看看。
2.2.2自定义的方式
#include<stdio.h>
#include<string.h>
enum{
success=0,
malloc_err,
open_err
};
const char* errorDesc(int code)
{
switch(code)
{
case success:
return "running sucess!";
case malloc_err:
return "malloc failure!";
case open_err:
return "file open failure!";
default:
return "unkown error!";
}
}
int main()
{
int exit_code = malloc_err;
printf("%s\n", errorDesc(exit_code));
return 0;
}
2.3普通函数的返回值
普通函数一般返回值或者状态。
以fopen为例
执行结果：文件打开成功，fopen()返回指向该文件的指针；文件打开失败，fopen()返回NULL。
执行情况：返回了非空的FILE*指针，则可认为函数执行成功；返回了NULL，则可认为函数执行失败，需要进一步检查错误的原因(errno变量或调用perror()函数)。
普通函数退出，仅仅表示函数调用完毕。
函数也被称为子程序，与进程退出时返回退出码类似，函数执行完毕也会返回一个值，这个值通常用于表示函数的执行结果或状态。
调用函数，我们通常想看到两种结果：a.函数的执行结果(函数的返回值)；b.函数的执行情况(函数是否成功执行了预期的任务)，例如：fopen()函数的执行情况是通过其执行结果来间接表示。
2.4错误码
为了获取普通函数的错误信息，操作系统提供了错误码这个接口
errno是错误码，它是记录系统最后一次错误代码的一个整数值，不同值表示不同含义，在#include<errno.h>中定义。
当函数运行成功时，errno值不会被修改，因此我们不能通过测试errno的值来判断是否有错误存在，而应该在被调用的函数提示有错误发生时，再检查errno的值。
注：错误码只有当库函数调用失败了才会被设置。
2.4.2错误码和退出码的区别
退出码是进程结束时给系统返回的状态码，通常简单地表示成功或失败
错误码是函数调用或操作失败时的具体错误信息，提供了更详细的错误类型
要是本身你给退出码定义了详细的分类，那么就会进而编程错误码
2.5进程退出的几种情况
任何程序退出的情况我们都可以分为一下三种：用两个数字表示退出情况。
进程信号 = 0 ； 退出码 = 0 进程正常结束，也是成功执行
进程信号 = 0 ； 退出码 = !0 进程正常结束，但是进程执行结果不正确
进程信号 = !0 ； 退出码 = 0/!0 进程没有正常运行，退出码没有任何意义
2.6.进程退出的方式
2.6.1.正常退出
就是在正常的程序代码中，如main函数走到结尾，或者是遇到return。这样的正常结束。
2.6.2.exit()函数和_exit()函数
一、exit()函数
- 调用exit()是程序主动退出的方式，即：正常终止进程。
- exit()函数是C标准库提供的一个函数，在#include<stdlib.h>中定义，用于立即终止当前进程的执行，它会接受一个整形作为参数，该整形为进程的退出码。
- 调用exit()，程序会立即终止，exit()同时会执行清理操作(如：刷新所有的输出缓冲区、关闭通过fopen打开的文件、malloc开辟的内存等)，然后向操作系统返回退出码。
二、_exit()函数
- 调用_exit()是程序主动退出的方式，即：正常终止进程。
- _exit()函数是系统调用函数，在#include<unistd.h>中定义，用于立即终止当前进程的执行，它会接受一个整形作为参数，该整形为进程的退出码。
- _exit()不会自动执行exit()函数所执行的清理工作，需要确保在调用它之前，手动处理所有必要的清理工作，然后向操作系统返回退出码。
注：main函数返回、调用exit()、_exit()函数，都表示程序主动退出，即：正常终止；接受到信号（如：ctrl c，信号终止)，表示程序被动退出，即：异常退出。
2.6.3. exit()、_exit()函数的区别
-
exit()支持刷新缓冲区，_exit()不支持刷新缓冲区，因为exit中有缓存区，_exit中无缓冲区。
-
它们都是终止进程，但只有OS才有能力终止进程，因此exit()底层封装了_exit()，两者是上下层关系
为什么语言具有可移植性和跨平台性？在库层面上，对系统强相关的接口进行了封装，从而屏蔽了底层差异。
3.进程等待
3.1为什么要进行进程等待
1.需要父进程去回收子进程的资源（内存空间），如果子进程结束了，需要父进程去回收空间，否则子进程就会变成僵尸进程，造成内存泄漏。
2.一般来说，进程都会有一个目的，进程等待就可以让父进程得到子进程的运行结果。
子进程的退出信息(exit code、exit signal)，需要通过内核数据结构来维护，保存在子进程的task_struct中，属于内核数据。
3.2进程等待的方式
3.2.1.wait
pid_t wait(int *status)
- 返回值：调用成功，返回已经结束进程的PID，同时获取到了子进程的退出状态码；调用失败，返回-1，并设置错误码以指示错误的原因。
- 参数status：输出型参数，用于存储子进程的退出状态，由OS填充，如果不需要这个信息，可以传递NULL，否则，OS会根据该参数，将子进程的信息反馈给父进程。
3.2.1.waitpid
pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options)；
- 参数pid：如果pid = -1，等待任意一个子进程，与wait等效；如果pid > 0，等待其进程的PID与pid相等的子进程。
- 参数option：如果option = 0，则为阻塞等待；如果option = WNOHANG，则为非阻塞等待。
- 返回值：调用成功，返回收集到的子进程的PID，同时获取到了子进程的退出状态码；调用失败，返回-1，并设置错误码以指示错误的原因；如果为非阻塞等待，waitpid调用成功且没有收集到已结束的子进程，则返回0。
3.3.进程等待的两种方式：阻塞等待和非阻塞等待
3.3.1阻塞等待
定义：进程在发出某个请求(如：I/O操作、等待某个条件成立等)后，如果请求不能立即得到满足(如：数据未准备好、资源被占用等)，进程会被挂起，在此期间无法继续执行其他任务，直到等待条件满足或被唤醒。
a.行为 -> 进程在等待期间无法执行其他任务（干等着）。
b.触发方式 -> 等待由外部条件触发(如：数据到达、资源释放等)。
c.管理层面：由操作系统或者底层系统资源管理。
d.效率与并发性：效率低。
#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) //子进程
{
int cnt = 5;
while(cnt)
{
printf("child is running, id:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
cnt--;
}
exit(1); //子进程退出
}
int status = 0; //存储子进程退出状态
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0); //父进程等待 —— 阻塞等待
if(rid > 0) //等待成功
printf("wait success, status:%d\n", status);
else if(rid == -1) //调用失败
perror("wait error!\n");
return 0;
}
3.3.2非阻塞等待
定义：进程在发出某个请求后，不会被立即挂起已等待请求的完成，即使请求不能立即得到满足，进程在等待期间可以继续执行其他任务，同时可能会以某种方式(轮询访问、回调等)定期检查请求状态或者等待结果的通知。
行为 -> 进程在等待期间可以执行其他任务；
b.触发方式 -> 可能通过编程的方式实现，如：轮询、回调等。
c.管理层面：在应用层通过编程实现。
d.效率与并发性：效率高，提高并发性和响应能力。
3.4获取子进程的退出状态
status不能简单的当作整形来看，他是一种类似于位图的，
它有自己的格式，只研究status低16位比特位。
3.4.1位操作获取子进程的退出状态
#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) //子进程
{
int cnt = 5;
while(cnt)
{
printf("child is running, id:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
cnt--;
}
exit(1); //子进程退出
}
int status = 0; //存储子进程退出状态
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
if(rid > 0) //等待成功
printf("wait success, status:%d, exit code:%d, exit sign:%d\n", status, (status>>8)&0xff, status&0x7f); //位操作获取子进程的退出码、退出信号
return 0;
}
3.4.2利用宏来获取子进程退出状态
WIFEXITED(status)：检查子进程是否正常退出。
如果子进程通过调用exit函数或main函数return返回而退出，则WIFEXITED返回非0值(真) ->正常退出；（进程是正常退出的，进程信号返回的是0，当进程信号为0时，WIFEXITED的返回值是非0）
如果子进程是由于接收到信号而退出，则WIFEXITED返回0(假) -> 异常退出。（进程是异常退出的，进程信号返回的是非，当进程信号为非时，WIFEXITED的返回值是0）
WEXITSTATUS(status)：只有当WIFEXITED为真时（即进程是正常退出的，进程信号为0），接着才会使用WEXITSTATUS获取子进程的退出码。
#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) //子进程
{
int cnt = 5;
while(cnt)
{
printf("child is running, id:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
cnt--;
}
exit(1); //子进程退出
}
int status = 0; //存储子进程退出状态
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
if(rid > 0) //等待成功
{
if(WIFEXITED(status)) //子进程正常退出
printf("wait success, status:%d, exit code:%d\n", status, WEXITSTATUS(status)); //提取退出码 宏
else //子进程异常退出
printf("child process error!\n");
}
return 0;
}
问题1：在父进程中定义两个全局变量(exit code、exit sign)，子进程修改exit code值，父进程可以获取到子进程的退出信息吗？
- 不能。因为进程具有独立性，子进程对共享数据的修改，父进程是不可见的。
问题2：为什么要有wait、waitpid？
- 为了避免子进程僵尸，造成内存泄漏，父进程需要通过wait、waitpid等函数来回收子进程资源，同时可以获取到子进程的退出信息。
- 子进程的退出码、退出信号等内核数据，需要被拷贝到用户层的某个变量(如：wait、waitpid中的status参数等)，这个过程需要调用系统调用接口，因为用户空间的程序无法直接访问内核空间的数据。
4.进程程序替换
4.1为什么要有进程程序替换
- 我们创建的进程只能执行自己的代码。
- 当子进程被创建的时候如果想执行别的程序该怎么办呢？ ------程序替换
4.2进程程序替换的概念和原理
- 概念：允许一个进程在执行过程中用一个新的程序来替换当前正在执行的程序。这一过程通常是通过调用
exec函数实现的。即：用全新的程序替换原有的程序。 - 具体来说，当进程调用某种
exec函数时，当前进程的用户空间中的代码和数据会被新程序的代码和数据完全覆盖，因此从新程序的启动例程开始执行。 - 注：调用exec函数，并不会创建新的进程，而是对原有进程的资源进行替换，因此调用exec前后该进程的pid并未发生改变。
- 原理：加载新程序 -> 替换当前程序 -> 更新页表 -> 执行新程序。
- 加载新程序：当进程决定进行程序替换时(调用exec函数)，它会请求OS将全新程序(代码和数据)从磁盘中加载到内存。
- 更新页表：为了实现替换，OS需要更新页表，将原来指向旧程序代码的虚拟地址映射到新程序代码的物理地址上，这样，就会执行新程序的代码。
- 所谓的把磁盘的数据加载到内存，把磁盘的数据拷贝到内存中，磁盘，内存都是硬件，只有操作系统具有将数据从一个硬件（磁盘）搬移到另一个硬件（内存）的能力，从而支持程序的加载和替换（所以，这里一般调用的都是系统调用）。
- 注：进程替换的本质工作就是加载，充当的是加载器的角色！
4.3直接写代码----exec*接口
这里面有很多的接口，我们先来演示一个最简单的函数 execl
4.3.1 execl的单进程场景
这里有四个细节：
- 这里我们也发现了，程序替换成功之后，exec*代码后的代码也就不会被执行了。
- exec*函数只有失败返回值，是没有成功的返回值的。
- 替换完成之后，是不会产生新的进程的。
- 进程创建的时候：实现创建PCB，地址空间和页表，然后才是把程序加载到内存当中。
补充一个点：我们这么写传参方式是标准传参，当然也可以非标准传参，就是在遇到非标准的情况也不要奇怪。
4.3.2 execl的多进程进程场景
4.4学习另外的exec*接口
这七个接口在功能上没有不同（都是封装系统调用接口execve），只是在使用方式上有所不同，传参方式不同。
我们发现其实前面的名字都差不，后面另外添加的字母就展现出区别。
4.4.1 exec*接口 + p
我们发现execlp，的第一个参数是file，而execl是path，说明execl第一个参数需要传递的是要替换的文件的路径，而第二个只需要传递文件名称就行了，会自动取环境变量指定的路径下去寻找文件。
4.4.2.exec*接口 + e
有了e，就代表这在参数当中添加了 env[]数组，说明了，可以自己写环境变量，要注意这个写入是覆盖式的写入，会将当前进程从父进程那里继承来的参数覆盖掉。
4.4.3.exec*接口 + v
有了v以后，就说明后面的参数传递，不再使用可变参数来传递了，直接传递一个存储参数的字符指针数组。
5.补充知识
5.1.putenv
- 功能：动态改变或新增环境变量。
如果指定的环境变量已经存在，那么它的值会被新的字符串中的值所替换；如果指定的环境变量不存在，那么它会被添加到环境变量表中。
5.2.为什么子进程进行替换，父进程无任何影响？
- 进程具有独立性：每个进程都有自己的地址空间，意味着每个进程只能访问自己的内存区域，而不能访问其他进程的内存区域，所以子进程进行程序替换，只会改变自己的地址空间的内容，不会影响到父进程的地址空间。
- exec函数的行为：仅在调用它的进程中生效，而不会影响到父进程。由于exec函数是在子进程中调用的，因此只有子进程的映像被替换，父进程的映像保持不变，父进程继续执行其后续代码。
5.3.shell是如何执行起来一个指令的？
- 读取命令行输入 -> 解析命令 -> 创建子进程 -> 执行程序替换 -> 等待子进程结束。
6. 应用场景
- 进程替换的应用场景有：Shell命令解释、服务器设计、在线OJ、搜索引擎等
- Shell命令解释：当用户在Shell中输入一个命令，Shell会创建一个子进程来执行该命令，这个子进程会使用exec函数来替换需执行命令的代码和数据，从而执行用户指定的程序。
- 服务器设计：在服务器程序中，父进程可以创建多个子程序来处理客户端的请求，每个子程序可以使用exec函数来执行特定的程序或者服务。
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