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2022-05-29
Linux进程控制
@TOC
零、前言
前篇我们讲解学习了关于进程的概念知识，本章主要讲解关于进程的控制，深入学习进程
一、进程创建
1、fork函数
概念：
在linux中fork函数从已存在进程中创建一个新进程（子进程），而原进程为父进程
fork函数原型：
pid_t fork(void);
注意：
使用fork()函数需要包含头文件
fork成功后对子进程返回0，对父进程返回子进程id，fork出错返回-1
内核视角看待fork：
进程调用fork，内核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（例如PCB进程控制块，进程地址空间，页表等）
添加子进程到系统进程列表当中，当fork返回后开始调度器调度进程
示图：
fork后执行问题：
当一个进程调用fork之后，父子进程共享同一份代码，也就是说整个代码父子进程都可以看到，但是此时父子进程的执行位置都是相同的，也就是说fork返回后子进程也是往fork之后的代码执行（并非再从头执行）
示例：
#include
结果：
示图：
2、fork返回值
返回值：
fork成功对子进程返回0，对父进程返回子进程的pid
写时拷贝
概念：
fork成功之后父子代码共享，当父子不写入数据时，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
为什么数据要进行写时拷贝:
进程具有独立性，多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程
为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝：
子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝，我们应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间，提高fork效率，以及fork的成功率
代码会不会进行写时拷贝：
90%的情况下是不会的，但这并不代表代码不能进行写时拷贝，例如在进行进程替换的时候，则需要进行代码的写时拷贝
示图：
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进行深入操作
为什么fork存在“两个”返回值：
父进程创建子进程时，子进程以父进程为模板构建进程，代码数据父子共享，返回时也是父子进程进行修改数据时，由页表发现该数据是父子进程共享的，所以系统会找到另一个物理空间进行拷贝数据，拷贝数据后再修改数据，达到数据各有一份互不干扰的目的，保证进程的独立性
3、fork用法
我们创建子进程并不是为了父进程执行一样的代码，而是为了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
用法1：fork返回后分流执行不同代码
示例：
#include
结果：
用法2：fork返回后调用exec函数替换进程
注：在下文有着重讲解
4、fork失败
fork本质就是向系统要资源，当某个资源不够时则会发生fork失败
失败原因：
1.系统中有太多的进程
2.实际用户的进程数超过了限制
二、进程终止
1、退出码
概念：
其实main函数是间接性被操作系统所调用的，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，一般来说我们写的代码都不太规范，没有根据执行结果返回相应的退出码
注：退出码可以人为定义，也可以使用系统的错误码表
示图：系统错误码表
退出码查看：
使用指令 echo $?
示例：
注：如果main没有return，则echo $?查看的是最近函数的退出码，一般来说都是0
2、退出方法
进程退出场景:
代码运行完毕，结果正确，退出码为0
代码运行完毕，结果不正确，逻辑存在问题，退出码为非0
代码异常终止，层序崩溃，退出码没有意义
进程常见退出方法：
1) 调用_exit函数
_exit函数原型：
#include
注意：
status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值
虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用
注：_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255
示图：
2)调用exit函数
exit函数原型：
#include
exit与_exit的区别：
_exit仅仅是退出进程
exit在退出进程前，先执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数，关闭所有打开的流，所有的缓存数据均写入（刷新缓冲区），最后调用_exit
示图：
示例：
3)main函数return
return是一种更常见的退出进程方法，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
示图：
注意：
只有是在main函数的的return才算是终止进程，其他函数return只是结束函数，因为系统调用的是main函数，main函数返回才是进程的返回
调用main函数运行结束后，main函数的return返回值当做exit的参数来调用exit函数，而使用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
4)异常退出
向进程发生信号
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迫使进程退出
代码运行异常
如代码当中存在野指针问题等bug问题使得进程运行时异常退出
3、理解终止
以OS角度理解：核心思想-归还资源
释放曾经为管理进程所维护的数据结构资源，并非销毁释放数据结构对象，而是将状态设置为无效并保存起来，下一次需要就直接使用不用申请，相当于建立对应的数据结构“内存池”
释放程序数据和代码占用的空间，并非清空数据和代码，而是将对应内存区域设置为无效，要再次使用时直接覆盖数据和代码就行了
取消曾经该进程在进程队列里的链接关系（避免”野指针“）
三、进程等待
进程等待必要性：
当子进程退出，并不是完全退出，子进程的PCB任然存在，父进程如果不等待回收，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏
注：进程一旦变成僵尸状态，并不能被父进程给kill掉，因为子进程已经死去，只能父进程等待回收
子进程的PCB保留着退出前任务执行的信息，而通过回收子进程我们可以知道子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出
注：非必须，依执行的程序和需求而定
尽量使父进程晚于子进程退出，可以规范化进行资源的回收
注：所以一般来说，当我们fork之后，就需要父进程等待回收子进程
1、等待方法
wait方法：
wait函数原型：
#include
注意：
wait函数作用的等待任意子进程
返回值：成功返回被等待进程pid，失败返回-1
参数：输出型参数，获取子进程退出状态，不关心则可以设置成为NULL
waitpid方法：
waitpid函数原型：
#include
注意：
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options为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
参数status：
参数status是一个输出型参数，需要我们传入一个整形变量的地址，以此获取子进程退出的信息
使用对应的宏可以查看我们需要的退出信息：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）
参数options：
设置为0：表示默认的阻塞式等待子进程退出，即子进程没退出就不返回，一直等待到子进程退出回收子进程
设置为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
示例1：阻塞等待
#include
结果：
示例2：非阻塞等待
#include
结果：
总结：
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
示图：
2、获取status
概念：
wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行将退出信息填充
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息；如果传递变量地址，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
使用对应的宏可以方便查看我们需要的退出信息：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）
注：status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待（只有status的低16比特位有有效信息）
示图：
注意：
如果是正常退出，我们可以进一步获取子进程退出的退出码（退出状态），通过退出码判断进程执行的结果如何，是对还是错
如果是异常退出，那么退出码变没有意义（执行任务已经失败），只需要考虑低7位的信息查看是怎样的异常
示例：
#include
结果：
3、理解等待
以OS的视角理解：
父进程创建子进程，并调用系统接口wait/waitpid进行等待
系统会将当前进程放进等待队列，并将进程的状态设置为非R
当到一定程度时，系统会唤醒进程，进程由等待队列转为运行队列，同时状态变为R
四、进程替换
1、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)
如果想执行不同程序，子进程可以调用一种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
注：调用exec并不创建新进程，只是将进程的代码和数据写时拷贝成新程序的代码和数据（达到替换的效果），所以调用exec前后该进程的id并未改变
示图：
2、替换方法
exec系列函数原型：
#include
注意：
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（已经将代码和数据全部替换，执行新程序的执行逻辑）
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：
l(list) : 表示参数采用列表的形式传入如何使用程序或者命令 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
示图：
具体使用介绍：
//子进程替换程序为ls命令 execl("/user/bin/ls","ls","-i","-a","-l",NULL); //注：l表示列表形式，即以可变参数的形式使用程序，最后一个参数需要传入NULL，表示参数传入结束 execlp("ls","ls","-i","-a","-l",NULL); //注：对于ls这样的系统命令，其路径被储存在PATH环境变量里，execlp函数会自动到PATH里通过各路径去寻找ls命令；如果系统程序指令，则要么拷贝程序到PATH里的某个路径下，或者添加程序路径到PATH变量里 //注：对于这里两个ls其实并不冲突，第一个表示程序的名称，第二个表示如何通过参数列表使用程序（使用时需要带上名称） char* const MY_Env[]={ "MYENV=hello linux",NULL } execle("./mycmd","mycmd",NULL,MY_Env); //注：对于不是当前环境变量，需要自己组装，或者将添加到当前环境变量里 char* const MY_acgv[]={ "ls", ,"-l" ,"-a" ,"-i" ,NULL } execv("/user/bin/ls",MY_acgv); //注：v表示数组的形式传入参数列表 execvp("ls",MY_acgv); execve("/user/bin/ls",MY_acgv,env);
示例：替换程序为mycmd
test_exec.c: #include
结果：
注：本质上只有execve是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用execve（在系统调用上的一个封装），所以execve在man手册 第2节，其它函数在man手册第3节
示图：
注：对于软件或者程序执行，要预先将存在磁盘里的软件或者程序加载到CPU上，而我们也可以将exec系列函数看作是一种特殊的加载器
五、实现简易shell
shell视角执行：
shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序并等待这个进程结束，再进行新的输入读取
注意：
对于shell来说作为命令行解释器，执行命令需要将执行结果给用户看到，这时候就需要子进程执行，让子进程的结果返回，即父进程等待回收子进程
但是对于一些内建命令则需要shell自己执行，例如执行cd …返回上层目录，我们希望的并不是子进程返回上层目录，所以需要shell自己执行
具体流程:
获取命令行
解析命令行
建立一个子进程（fork）
替换子进程（execvp）
父进程等待子进程退出（wait）
示图：
注：根据这些思路，和我们前面的学的技术，就可以自己来实现一个shell了
实现代码：
#include
效果：
Linux 任务调度
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