文章目录

• 1、再次理解fork函数
• • 1.1 fork函数回顾
  • 1.2 独立、共享以及写时拷贝
  • 1.3 fork的常规用法
  • 1.4 fork调用失败的原因
• 2、进程终止
• • 2.1 进程退出场景
  • 2.2 进程正常终止和异常退出(程序崩溃)
  • 2.3 进程常见的退出方法
  • 2.4 进程退出，OS层面做了什么呢？
• 3、进程等待
• • 3.1 进程等待是什么以及为什么要有进程等待？
  • 3.2 进程等待的方式
• 3、进程替换

1、再次理解fork函数

1.1 fork函数回顾

①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。
②进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

1. 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
2. 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
3. 添加子进程到系统进程列表当中
4. fork返回，开始调度器调度

③关于fork函数的返回值：

1. 在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID
2. 在子进程中，fork返回0
3. 如果出现错误，fork返回一个负值

④当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。子进程在fork函数调用后开始执行。
⑤fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

1.2 独立、共享以及写时拷贝

先引入一个概念：父子进程具有共享性，也具有独立性。这句话并不矛盾。
在说这个话题之前，我们先要知道进程地址空间和页表。每个进程都有自己的进程地址空间(mm_struct)，通过这个地址空间，我们可以知道每个变量，每个函数的地址。在Linux下地址下，这种地址叫做虚拟地址，不是实际的物理地址，所以我们在C/C++语言中所看到的地址全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理。那OS又是如何知道虚拟地址所对应的物理地址呢？每个进程除了有独立的mm_struct之外，还有独立的页表。页表就是对虚拟地址和物理地址的一种映射，OS拿到虚拟地址，通过查页表就可以知道数据在物理地址中实际位置。

关于共享性：因为子进程是父进程通过fork函数创建的，所以子进程会继承父进程的绝大多数资源(包括环境变量、堆栈、共享内存等)，但有些东西是不会继承的(包括PID、父进程号、挂起信号等)。继承的资源其中就有mm_struct和页表，通过mm_struct和页表就能找到物理地址所对应空间的数据。所以说父子进程具有共享性。

关于写时拷贝和独立性：写时拷贝是一种延时拷贝，为了避免不必要的拷贝，从而产生的一种挺高性能而产生的技术(STL——string也使用的是这种技术)。其中就会用到引用计数。引用计数的目的就是记录一块空间被多少指针指向的个数。当父进程通过fork创建子进程时,子进程继承了父进程的mm_struct和页表，子进程也能访问父进程的数据，因为页表映射到的是相同的物理地址。但仅限于读数据。当父子进程哪一方想修改数据时，OS就会介入，先查看引用计数，如果引用计数大于1的话，OS就会在为子进程开辟自己的空间，将数据拷贝进去，然后再修改页表的映射关系。后面子进程修改数据时，就不会修改父进程的数据了，这就很好的体现了父子进程的独立性。

总的来说,就是父子代码共享，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

1.3 fork的常规用法

• 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

1.4 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

2、进程终止

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

2.2 进程正常终止和异常退出(程序崩溃)

正常终止：

1. 从main函数返回
2. 调用exit
3. 调用_exit

在Linux下，因为一个进程结束后，退出码会被父进程读取的，所以我们可以用echo $?(输出最近一次程序退出时的退出码) 指令查看进程的退出码
假设有以下代码：

#includeint main(){printf("FL");return 0;}

main函数中的return后面所带的数字就是退出码，退出码为0，表示正常退出，所以我们写C程序的main函数时，返回的基本都是0

当我们再次输入这个命令：结果还是为0，是因为echo也是程序，这次输出的是上次echo命令的退出码
为什么会有退出码？
当程序正常运行结束，我们可以通过退出码判断该程序的结果是否正确(0表示success，!0表示failed)。为什么程序结果错误退出码需要用!0表示，因为!0有多个数，1，2，3，4等数字都可以表示!0。导致程序运行结构错误的原因可能有很多种，所以每一个!0的退出码，都对应着一个错误信息，用来表示结果为什么不对，这也是程序员需要关心的。

Linux中的退出码：



可以通过上述操作查看Liunx中的退出码，我们发现退出码最大为133，超过后就没有对应的错误信息了。
注意：程序正常退出，退出码才有价值，因为它表示程序结果是否正确

异常退出：
程序运行时，到了中途就异常退出了，这就叫程序崩溃

本来应该在/0操作后打印错误码所对应的错误信息，但结果不是是这么回事，原因大家也应该知道，对于/0，该操作是非法的。因为这个操作，导致程序异常退出，也就没有打印后面的信息了

此时的退出码为：

通过对比前面的退出码，我们发现136并没有对应的错误信息，这也更加验证了程序正常退出，退出码才有价值,如果程序崩溃(异常退出)，退出码也就没有意义了

2.3 进程常见的退出方法

1. 从main返回
   main函数的return表示进程退出，是一种常见的退出方法，return后面所跟的数字就是进程的退出码，而非main函数的其他函数中的return表示函数返回

2. 调用exit
   我们可以通过调用exit函数来终止进程
   
   对应的参数status表示进程退出时的退出码
   注意：eixt最典型的特点是在程序任意的地方去调用，都代表进程退出

3. 调用_exit
   
   _exit和eixt类似，在程序的任意地方调用都能终止进程

关于刷新缓冲区——return、eixt和_exit的对比

对于return，假设有以下程序：

#include#include#include#includeint main(){   printf("hello fl");   sleep(4);   return 0;}

对于exit，假设有以下程序：

#include#include#include#includeint main(){   printf("hello fl");   sleep(4);   exit(0);   return 0;}

对于_exit，假设有以下程序：

#include#include#include#includeint main(){   printf("hello fl");   sleep(4);   _exit(0);   return 0;}

通过对比我们发现，有return和exit的程序都打印了hello fl，而_exit则没有打印hello fl。其原因是前两者在终止进程时，都会进行收尾工作，比如刷新了缓冲区，将缓冲区中的内容打印到了前台，而后者却没有进行收尾工作，也就没有刷新缓冲区，这也导致了结果的不同
注意：这里的缓冲区是用户级缓冲区

扩展：。执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数。

2.4 进程退出，OS层面做了什么呢？

系统层面，少了一个进程：free PCB，free mm_struct，free 页表和和各种映射关系，程序的代码和数据申请的空间也要被释放掉，归还系统。
进程加载和进程退出，OS做的工作是相反的

3、进程等待

3.1 进程等待是什么以及为什么要有进程等待？

通过fork()创建子进程是为了帮助父进程完成某种任务，父进程就需要通过某种方式去获得(或者知道)子进程完成任务的情况如何(是完成了，还是没完成)。所以此时就需要父进程在fork之后，通过wait/waitpid等待子进程退出，这种现象就叫做进程等待。

为什么要让父进程等待？

1. 通过获取子进程退出的信息，能够得知子进程的执行结果
2. 可以保证时序问题：子进程先退出，父进程后退出
   因为父进程需要获得子进程的退出信息，所以父进程一定会后于子进程退出。换句话说，如果父进程先退出了，子进程还在运行，那么父进程就无法获取子进程的退出信息。进程等待就保证了父进程活的时间比子进程长
3. 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。所以就需要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

注意：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

3.2 进程等待的方式

wait方法：

   #include   #include   #include   #include   #include   #include  pid_t id = fork();      if(id == 0)      {   int count = 5;   while(count)   {//childprintf("child[%d] is running; count is: %d\n",getpid(),count);count--;sleep(1);   }      exit(0);      } //parent      sleep(10);      printf("father wait begin!\n");      pid_t ret  = wait(NULL);      if(ret > 0)      {  printf("father wait: %d, success\n",ret);      }  else      {   printf("father wait failed\n");      }  sleep(10);  } 

利用fork函数创建子进程。最开始父子进程都为R状态，在5秒之内，子进程每隔1秒就会打印ID以及count，5秒之后子进程将从R状态转换为Z状态，因为子进程结束后，父进程还在sleep中，当父进程sleep完后，通过wait(),将子进程回收掉，此时我们发现只有父进程为R状态，而子进程已经消失，当父进程中的第二个sleep结束后，父进程也将被回收。

通过while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep "test"| grep -v grep; sleep 1;echo"###################################"; done查看进程父子进程的状态



waitpid方法：

返回值：
当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
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：
Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。

status:
WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）

options:
WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。

代码异常终止的本质就是这个进程因为异常问题，导致自己收到了某种信号！
我们可以让父进程通过status得到子进程执行的结果，是正常终止还是异常终止
wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

我们将上述代码修改一下：


如果是正常情况下，信号大部分都是0

关于status，不能简单的当做整形来看待，应当作位图来看待

看以下代码：

  1 #include<stdio.h>  2 #include<string.h>  3 #include<stdlib.h>  4 #include<unistd.h>  5 #include<sys/wait.h>  6 #include<sys/types.h>  7   8 int main()  9 { 10     pid_t id = fork(); 11     if(id == 0) 12     { 13  int count = 3; 14  while(count) 15  { 16      //child 17      printf("child[%d] is running; count is: %d\n",getpid(),count); 18      count--; 19      sleep(1); 20  } 21  exit(1); 22     } 23  24     //parent 25     //sleep(10); 26     printf("father wait begin!\n"); 27     int status = 0; 28     pid_t ret  = waitpid(id, &status,0); 29     if(ret > 0) 30     { 31  //printf("father wait: %d, success, status: %d\n",ret, status); 32  if(WIFEXITED(status))//没有收到任何退出信号 33  { 34      //正常结束，获取对应的退出码 35      printf("exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status)); 36  } 37  else 38  { 39      printf("error get a signal!\n"); 40  } 41     } 42     else 43     { 44  printf("father wait failed\n"); 45     } 46     //sleep(10); 47 } 

运行代码，我们可以发现，子进程是正常退出的，退出码为1(因为子进程中有exit(1))

把代码稍微改一下：

注意:
如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
如果不存在该子进程，则立即出错返回。

关于options：
如果waitpid的第三个参数是0，则是默认行为，表示阻塞等待。如果参数是WNOHANG，则是非阻塞等待
阻塞等待和非阻塞等待的区别：
生活中的案例：
假如有位帅哥，他叫张三。张三有个女朋友，名字叫小花。有一天呢，张三去找小花，想让小花一起去逛街，当张三走到了小花居住地的楼下，然后给小花打了个电话，说：小花呀，我到楼下了，你下来吧。此时，小花却说到，我现在在做作业，而且必须要做，你等我30分钟左右吧。张三说：行吧。
此时张三有两种等待方式：
1.因为张三想时时刻刻了解到小花做完没有，所以就不挂断电话，也让小花不挂电话，就这么把手机放在耳边，眼睛一直盯着小花住房的窗子，随时了解小花是否然做完了，除此之外，什么也不干。
2.张三觉得如果一直干等着太浪费时间了，但又想了解小花的情况，所以就决定看视频，玩游戏，然后每隔2分钟就给小花打一个电话，了解一下小花的情况，直到小花说做完了，那么张三也就不需要打电话了
对于上面所说两种等待方式，我们将第一种称为阻塞等待。第二种称为非阻塞等待。

对于父进程，因为需要对子进程进行多次检测，所以采用基于非阻塞等待的轮询方案

  1 #include<stdio.h>  2 #include<string.h>  3 #include<stdlib.h>  4 #include<unistd.h>  5 #include<sys/wait.h>  6 #include<sys/types.h>  7   8 int main()  9 { 10     pid_t id = fork(); 13  int count = 3; 14  while(count) 15  { 18      count--; 19      sleep(1); 20  } 21  exit(1); 22     } 23  24     //parent 25     //sleep(10); 26     printf("father wait begin!\n"); 27     int status = 0; 28     while(1)//需要轮询检测 29     { 30  pid_t ret  = waitpid(id, &status, WNOHANG); 31  if(ret == 0) 32  { 33      //子进程没有退出，但是waitpid等待是成功的，需要父进程重复进行等待 34      printf("Do father things!\n"); 35  } 36  else if(ret > 0) 37  { 38      //子进程退出了，waitpid也成功了，获取大了对应的结果 39      printf("father wait: %d, success, status exit code: %d, status exit signal: %d\n",ret,(status>>8)&0xFF,s    tatus&0x7F); 40      break; 41  } 42  else 43  { 44      perror("waitpid"); 45      break; 46  } 47  sleep(1); 48     } 49 }

通过实验发现，子进程在运行的时候，父进程进行轮询检测(非阻塞等待)

阻塞等待(阻塞了)是不是意味着父进程不被调度执行了呢？
答案：是的。因为阻塞的本质其实就是进程的PCB被放入了等待队列，并将进程的状态改为S状态。相反的，返回的本质就是将进程的PCB从等待队列拿到运行队列，从而被CPU调度

3、进程替换

进程不变，仅仅替换当前进程的代码和数据的技术，叫做进程的程序替换
程序替换的本质就是把程序的进程代码+数据，加载到特定进程的上下文中
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

替换函数
其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:
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[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

• 这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回
• 这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。如果调用出错则返回-1

所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

命名理解
这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记

• l(list) : 表示参数采用列表
• v(vector) : 参数用数组
• p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
• e(env) : 表示自己维护环境变量

#include 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);}