1 进程创建

在上一篇文章《进程的学习 —— Linux下的进程》中，频繁用到了fork来创建子进程。没错，fork正是Linux中创建进程的一个系统调用接口，下面将更深入地剖析fork的用法、作用、原理及特点。

1.1 认识fork

fork是什么？

在linux中fork函数是非常重要的系统调用接口，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。

fork的工作机制？

调用fork后，进程执行内核空间的fork函数代码，内核会做出如下操作：

开辟新的内存空间、创建新的进程控制块，供新进程使用

将父进程PCB数据结构部分拷贝至子进程中

添加子进程到系统进程列表中

fork返回，调度器开始调度

fork前后执行流程图

fork怎么用？

#include <unistd.h> // 包含头文件
pid_t fork(void); // 函数声明

fork的返回值问题

fork的返回值比较特殊，它是一个pid_t（可以视为是整型）类型的变量，若父进程创建子进程成功，fork给父进程返回子进程pid，给子进程返回0。若创建失败，则给父进程返回-1。

man手册中关于fork返回值的介绍

RETURN VALUE On success, the PID of the child process is returned in the parent, and 0 is returned in the child. On failure, -1 is returned in theparent, no child process is created, and errno is set appropriately.

这里比较奇怪的是，为什么一个函数会有两个返回值呢

fork在内核中也有属于自己的代码，那么fork函数内部，在return之前，肯定是已经创建完子进程并且分两个执行流了，父进程执行流会返回子进程的pid，子进程执行流会返回0。（不考虑创建进程失败的情况）

1.2 进程创建的目的

创建进程的目的一般有如下两种：

父进程希望生成一份自己的副本，执行同一个程序中不同的代码片段。

让子进程执行不同的程序。（涉及进程替换，后文详细分析）

1.3 写时拷贝

写时拷贝的具体操作：OS在物理空间上开辟一块新的空间，并将欲修改数据拷贝过去，修改数据方对应的虚拟地址不变，物理地址指向新的物理内存空间（页表改变），然后再做修改。

写时拷贝保证了进程的独立性，父子进程的运行不会互相影响。

对于两种不同目的的进程创建，都会发生写时拷贝，只不过一个是拷贝数据，一个是拷贝代码。

修改共享数据前

修改共享数据后

1.4 进程创建失败的场景

系统中有太多的进程

实际用户的进程数超过了限制

进程创建了，运行结束后，进程的退出也是大有讲究，下面将要探讨进程退出。

2 进程退出

目前我们知道，子进程在退出之后，父进程回收前，会保持僵尸状态，以保存其退出信息，并等待父进程回收。那么这里的退出信息是什么？父进程又是如何回收子进程的退出信息状态的？下面分析。

2.1 进程退出状态

进程正常运行结束，运行结果正常

进程正常运行结束，但运行结果错误

进程异常终止。

Linux中用 进程退出码（code） 表示进程正常结束的状态，用 进程退出信号（SIG） 表示进程异常退出的原因。二者的本质就是进程PCB中的两个数字，当进程处于僵尸状态时，程序退出，PCB保存着退出状态信息。

2.2 进程退出的方式

正常退出

main函数return退出

调用 exit 退出

调用_exit 退出

正常退出时，可以用echo指令在命令行上查看退出码。(正常退出时，退出信号为0)

echo $? // 查询最近结束的进程的退出码

异常终止

ctrl+c 终止前台进程

给进程发送终止信号

图为kill指令提供的终止信号，一个数字代表一种信号。

2.3 exit、_exit、return

2.3.1 概念

exit

exit是一个用户级的函数，功能是终止当前执行的进程，并返回指定的退出码。

#include <stdlib.h> // 所在头文件
void exit(int status); // status是返回的退出码

一般规定:

exit(0) 正常退出

exit(!0) 异常退出

写一段C代码验证：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("hello world\n");
    exit(123);
}

结果：

[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ ./test
hello world
[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ echo $?
123 // 查询到退出码为我们exit参数指定的值

exit的参数statue默认只有低八位有效，且视为无符号，所以当我们给exit传入-1时，退出码为255。退出码的范围是[0~255]。

验证

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("hello world\n");
    exit(-1);
}

[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ ./test
hello world
[ckf@VM-8-3-centos lesson7]$ echo $?
255

_exit

与exit不同的是，_exit是一个系统调用接口，是由系统提供的（exit函数是C函数库提供的）。而exit最后也要调用_exit接口，相当于exit是对_exit的封装，功能比_exit更多。

#include <unistd.h> // 所在头文件
void _exit(int status); // 参数与exit函数相同

return

return是最为常规的进程退出方式。在main函数中执行return n相当于执行exit(n)，因为调用main函数的运行时函数会将main函数的返回值当作exit的参数。需要注意的是，在main函数中return才能退出进程，在其它函数中return只起到函数返回的作用。

2.3.2 区别

exit函数是C函数库提供的用户级函数，_exit是系统调用函数。

return是C语言的关键字，exit、_exit是函数。

return是语言级别的，表示调用堆栈的返回。而exit是系统调用级别的，表示一个进程结束

return用于结束一个函数的执行，将函数的执行信息传出，给其他调用函数使用；exit函数是退出应用程序，删除进程使用的内存空间，并将应用程序的一个状态返回给OS(操作系统)，这个状态标识了应用程序的一些运行信息，这个信息和机器和操作系统有关，一般是 0 为正常退出，非0 为非正常退出。

非主函数中调用return和exit效果很明显，但是在main函数中调用return和exit的现象就很模糊，多数情况下现象都是一致的。

—— 参考文章《C语言中的exit()函数》

3 进程等待

3.1 理解进程等待

了解子进程如何退出并返回退出状态后，接下来就不得不提到，父进程该如何回收子进程的退出状态？

进程退出后处于僵尸状态，程序退出，PCB暂时保留，其中保存着该进程的退出状态。父进程通过进程等待的方式获取子进程的退出状态，回收子进程资源。

为什么要进行进程等待？

防止内存泄漏！

一个进程一旦进入僵尸状态，即使用kill -9命令也无法将其杀掉，因为谁也没办法杀掉一个已经死去的进程。若父进程不回收处于僵尸状态的子进程，积少成多，很可能出现内存泄漏的问题

获知子进程的任务完成情况！

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

3.2 进程等待的方式

3.2.1 wait和waitpid

介绍两个用于进程等待的函数

wait

功能：等待任一子进程退出，并回收子进程资源，获取子进程退出码

// 头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int* status);

返回值：成功，返回被等待进程pid；
	   失败（如父进程没有子进程），返回-1;
	   
status：输出型参数，写入被等待进程的退出状态到该指针执行的空间中。不关心退出状态，可设置为NULL

waitpid

功能：可通过pid指定某一子进程等待其退出，并回收子进程资源，获取子进程退出码

// 头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid,int* status,int options);

返回值：被等待进程正常退出，返回被等待进程pid。
	   若options参数传入WNOHANG,调用中waitpid发现没有已退出的子进程可回收,则返回0。
	   调用失败(如pid不合法等)，返回-1。
pid：
	pid>0：等待回收相应pid的子进程
	pid=-1：等待任一子进程，等价于wait

status
	写入被等待进程的退出状态
	
options:
	0:若pid相应的子进程没有结束，等待其结束。
	WNOHANG：若pid相应的子进程没有结束，waitpid返回0，不予以等待。若正常结束，返回子进程pid。

注意：

如果子进程已经退出（此时的子进程是僵尸状态），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（对应的）子进程，则立即出错返回。

非法情况验证

情况1️

int main()
{
    int ret = wait(NULL); // 当前进程并没有子进程，无法进程等待，wait调用失败
    
    printf("%d\n",ret);
    
    return 0;
}

执行结果：

情况2️

#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)
    {
        printf("I am child\n");
        exit(0);
    }

    int ret = waitpid(id+1,NULL,0); // pid为id+1的子进程不存在，无法进程等待，waitpid调用失败
    
    printf("%d\n",ret);
    
    return 0;
}

执行结果：

3.2.2 status位图结构

聊聊参数status

wait/waitpid都有一个参数status，该参数为一个输出型参数，是一个指针，指向一个int类型（32位）的变量，调用wait/waitpid时由OS向status指向的空间写入被等待进程的退出状态，若传入的status为NULL空指针，表示不关心被等待进程退出状态，OS则不会写入。不能将*status简单看成整型对待，其结构可视为位图结构（并且只研究低16位），具体如下图：

core dump标志：程序退出时，是否保存异常信息

基于这样的位图结构，我们可以通过位运算的方法，提取退出码或退出信号。

int stat = *status

退出码：(stat>>8) & 0xff
退出信号：stat & 0x7f
core dump标志：(stat>>7) & 1

来段代码测试一下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    
    if(id == 0)
    {
        printf("I am child procss, and my pid is %d\n",getpid());
        sleep(5);
        exit(6); // 传个6作为子进程退出码
    }

    int status = 0;
    waitpid(id,&status,0); // 等待五秒后，OS向status写入子进程退出状态

    printf("sig:%d\ncore dump flag:%d\nending code:%d\n",status & 0x7f,(status>>7) & 1,(status>>8) & 0xff);

    return 0;
}

子进程正常退出的情况，退出码、退出信号等信息符合预期

子进程被信号杀掉的情况，符合预期。

除了位运算的方式，我们还可以利用宏函数来获取退出状态。

wait/waitpid的头文件中还包含了一些宏函数，帮助我们通过status指向的值提取退出码、退出信号。这里简单介绍几个。

// 关于退出码
WIFEXITED(status): 若子进程正常终止，则为真（非零）。（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）

// 关于退出信号
WIFSIGNALED(status)：若子进程异常终止（被信号所杀），则为真（非零）。（查看进程是否被信号所杀）
WTERMSIG(status)：若WIFSIGNALED非零，提取子进程退出信号。（查看进程退出信号）

来段代码测试一下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    
    if(id == 0)
    {
        printf("I am child procss, and my pid is %d\n",getpid());
        sleep(5);
        exit(6);
    }

    int status = 0;
    waitpid(id,&status,0);

    if(WIFEXITED(status))
    {
        int ending_code = WEXITSTATUS(status);
        printf("%d\n",ending_code);
    }

    if(WIFSIGNALED(status))
    {
        int sig = WTERMSIG(status);
        printf("%d\n",sig);
    }
    return 0;
}

两种情况都符合预期。

3.3 阻塞等待和非阻塞等待

什么是阻塞等待？

看如下代码图：

fork创建子进程后，子进程和父进程执行不同代码段，因为子进程要休眠5秒才退出，父进程waitpid无法直接回收子进程，所以父进程会阻塞在waitpid处，一直等待子进程退出并返回退出信息后，才会继续运行。这种情况的进程等待，称之为阻塞等待。

什么是非阻塞等待？

父进程阻塞等待子进程的过程无法进行其他操作，只能干等，降低了运行效率。若想让父进程在等待的过程还能执行其他任务，可以采用轮询的方法。

所谓轮询，就是让父进程间断性地去查询子进程是否退出，若子进程尚未退出，则不再阻塞等待，执行其他任务，若子进程已退出，则进行相关的回收操作。

父进程以轮询的方式等待子进程退出，这种方法我们称之为非阻塞等待

实现非阻塞等待的方法：

给waitpid的第三个参数options传入宏WNOHANG。传入后，若waitpid发现相应pid的子进程尚未退出，直接返回0。利用这一特点结合while循环，便可实现非阻塞等待

具体代码实现

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>

void other_task()
{
    printf("The child process is still running, parent process is running other_task\n");
}

int main()
{
    pid_t id = fork();
    
    if(id == 0)
    {
       // printf("I am child procss, and my pid is %d\n",getpid());
        printf("I am child process, and I am running\n");
        sleep(5);
        exit(0);
    }
    
    int status = 0;
    while(1)
    {
        pid_t ret = waitpid(id,&status,WNOHANG);
        assert(ret>=0);

        if(ret > 0) // 子进程已退出
        {
            printf("ending code:%d\n",(status>>8) & 0xff);
            break; // 退出循环，结束轮询
        }

        else if(ret == 0) // 子进程尚未退出
        {
            other_task(); // 父进程执行其他任务
            sleep(1); // 休眠一秒后再进行下一次轮询
        }
    }
    return 0;
}

测试结果

4 进程替换

还记得进程创建的目的吗？

父进程希望生成一份自己的副本，执行同一个程序中不同的代码片段。

让子进程执行不同的程序。

上文讨论的都是围绕进程创建第一个目的，而下面我们要谈谈如何让子进程执行不同的程序。

4.1 进程替换的原理

想让子进程执行不同的程序，必须依赖于进程替换。使用fork函数创建子进程后，子进程与父进程的程序代码是相同的（只是可能执行不同分支），若想让子进程执行另一个程序，要用exec系列函数对子进程进行进程替换，执行新的程序。

值得注意的是，进程替换所替换的是进程的代码和数据，没有创建新的PCB，所以进程还是那个进程，pid不变。

另外，进程替换时会发生写时拷贝！保证父进程与子进程的独立性。从磁盘上加载新的代码程序到内存中时，子进程的页表会发生改变。

4.2 进程替换的函数

4.2.1 认识exec函数

实现进程替换的函数是命名以exec开头的一系列函数，总共有六个

#include <unistd.h> // 所在头文件

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 execvpe(const char* file, char* const argv[], char* const envp[]);

参数：

path： 欲替换程序的路径

file： 欲替换程序的名称

arg： 命令行参数

argv[]： 命令行参数数组

envp[]： 环境变量表

注意：参数必须以NULL结尾

很好理解，要进行进程替换就要解决两个问题。去哪找程序来替换？替换后如何执行？上面这六个函数的参数用以解决这两个问题，参数的不同代表解决方法不同，path和file解决了去哪找的问题，而arg、argv[]解决了如何执行程序的问题。最后，我们还可以通过envp[]设置子进程的环境变量。

这些函数若调用成功则加载新的程序并执行，不会返回值。只有调用失败时，才会返回-1。所以exec系列函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

举个栗子，父进程创建一个执行ls程序的子进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    int id = fork();

    if(id == 0) // 子进程
    {
        execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a","--color=auto",NULL);
        exit(1); // 因为execl会替换新的程序，所以如果子进程走到这里替换必定失败
    }

    wait(NULL); // 父进程回收子进程
    return 0;
}

对比命令行下执行ls，发现符合预期。

其实还有一个函数execve，属于系统调用接口。以上6个函数都是对它进行封装得到的，底层都是调用execve。

#include <unistd.h>
int execve(const char *filename, char* const argv[], char* const envp[]);

4.2.2 exec函数的命名理解

掌握exec函数的命名规则，理解其意义，才能灵活地调用。

5. 制作一个简易的Shell

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#define MAX_NUM 1024
#define ARG_NUM 64

char buf[MAX_NUM] = {0};

int main()
{
    while(1)
    {
        // 用户标识符
        char* p = getenv("PWD");
        p+=strlen(p);
        while(*(p-1)!='/')
        {
            --p;
        }
            
        printf("[%s@%s %s]$ ",getenv("USER"),getenv("HOSTNAME"),p);
        fflush(stdout);

        // 获取参数
        char* s = fgets(buf,sizeof(buf)-1,stdin);
        s[strlen(s)-1] = '\0';
        assert(s!=NULL);
        
        // 分割字符串
        char* my_argv[ARG_NUM];
        my_argv[0] = strtok(buf," ");
        int i = 1;
        while(my_argv[i++] = strtok(NULL," "));

        // 进程替换
        pid_t id = fork();
        if(id == 0)
        {
            execvp(my_argv[0],my_argv);
            exit(1);
        }

        wait(NULL);
    }

    return 0;
}