Linux--进程控制（1）

文章衔接：

Linux--环境变量-CSDN博客

Linux--地址空间-CSDN博客

1.进程创建

2.进程的终止

2.1想明白：终止是在做什么？

2.2进程终止的三种情况

2.3 进程如何终止

3.进程等待（wait/waitpid）

1.进程创建

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。
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-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

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序。
int main(void)
{pid_t pid;printf("Before: pid is %d\n", getpid());if ((pid = fork()) == -1)perror("fork()"), exit(1);printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);sleep(1);return 0;
}
运行结果：

        这里看到了三行输出，一行before，两行after。进程43676先打印before消息，然后它有打印after。另一个after消息有43677打印的。注意到进程43677没有打印before，为什么呢？如下图所示

        所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

关于写时拷贝
        通常，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。具体见下图:

fork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。

fork也可能创建失败：1.系统中有太多的进程 2.实际用户的进程数超过了限制

2.进程的终止

2.1想明白：终止是在做什么？

创建进程=创建内核相关管理的数据结构（task_struct，mm_struct，页表）+代码和数据。

创建进程首先就是要创建相关管理的数据结构，然后将代码和数据加载进来。

终止的本质：释放曾经的代码和数据所占的空间，释放内核数据结构。task_struct是要被延期处理的，因为进程有一个z（僵尸）状态需要被维护。

2.2进程终止的三种情况

关于退出码：

先来看一段代码：

运行结果：

解释：我们在写C语言程序的时候，我们习惯的在结束位置写上：return 0，这个操作实际上是将退出码返回给父进程，这个程序的父进程就是bash。$?是bash中储存错误码的变量，他会接收最近的一个子进程退出的退出码（echo是内建命令，可以直接打印bash内部的变量数据），退出码0：表示运行成功，！0：表示失败，1，2，3，4，5，6......不同非0 的值，一方面表示失败，一方面表示失败的原因（都有对应的错位描述）。

下面这个函数就是将错误码转化为错误信息的

再看一段带代码：

运行结果：我们可以看到一共有133条错误信息。父进程bash得到子进程的退出码，就可以知道子进程退出的情况，是成功还是失败，失败的原因是什么。

当然我们也是可以自定义退出码的，请看下面的一段程序：

我们使用自定义的方式，来控制我们的返回信息（0：成功 1：除到0了 2 mod 0 了）
// 自定义枚举常量
enum
{Success = 0,Div_Zero,Mod_Zero,
};
int exit_code = Success;
const char *CodeToErrString(int code)
{switch(code){case Success:return "Success";case Div_Zero:return "div zero!";case Mod_Zero:return "mod zero!";default:return "unknow error!";}
}
int Div(int x, int y)
{if( 0 == y ){exit_code = Div_Zero;return -1;}else{return x / y;}
}
int main()
{int result = Div(10, 100);printf("result: %d [%s]\n", result, CodeToErrString(exit_code));result = Div(10, 0);printf("result: %d [%s]\n", result, CodeToErrString(exit_code));return 0;
}
运行结果：第一个用例符合规范测试成功，第二个用除到0了不符合规范，报错。

我们通过上面的例子知道了进程终止的2种情况：

a.代码跑完，结果正确。

b.代码跑完结果不正确上面的两种情况，我们都可以通过进程的退出码决定！

接下来我们来看第三种情况：

c.代码执行时出现异常，提前退出了 ----操作系统发现你的进程做了不该做的事情，OS杀了进程（一旦出现异常，退出码就没有意义了）

那如果出现异常了，原因是什么？进程出现异常，本质因为进程收到了OS发给进程的信号，我们通过信号是多少，就可以判断我的进程为什么异常了！！！

例如野指针问题：

报错：段错误，OS提前终止进程。

段错误实际上就是OS给进程发送了kill的11号信号

演示：让程序持续的打印自己pid

运行程序几秒后，给16928 执行kill -11号指令，程序报段错误了。

结论：衡量一个进程退出，我们只需要两个数字：退出码和退出信号！

PCD（task_struct）是要被延期处理的，因为进程有一个z（僵尸）状态需要被维护，当进程退出时，进程会把退出码和退出信号（exit_code&&exit_signal）写入到PCD（task_struct）去的，让父进程读取。

2.3 进程如何终止

a. main函数return，表示进程终止（非main函数，函数结束，但不是进程结束）

b. 代码调用exit函数--引起一个正常的进程终止exit内部的参数就等于main函数中的退出码

在任意位置调用exit，都表示进程直接终止

运行结果：

c. _exit函数：终止一个调用进程，但这个函数是与

运行结果：在目前来看，作用似乎和exit相同

接下来就看一看和exit不一样的地方：

在睡眠2 的时候printf早就执行完了，将打印的信息存在了缓存区中

通过下面的对比我们发现：exit会帮我们我们冲刷缓冲区，但_exit不会

在这里我们重新说明一下：exit是c语言的库函数，_exit是系统调用。所谓的缓冲区不在OS/_exit中，exit实际上调用的就是_exit，所以缓冲区只能在_exit之上。（结论：目前我们所说的缓冲区，不是内核缓冲区！）

3.进程等待（wait/waitpid）

什么是等待？

任何进程，在退出情况下，一般必须要被父进程等待！

进程在退出的时候，如果父进程不管不顾，退出的进程就会变为，状态Z（僵尸状态），最终会导致内存泄漏

为什么要等待？

1.父进程通过等待，解决进程退出的僵尸问题，回收系统资源（一定要考虑的）

2.获取子进程的退出信息，知道子进程的退出原因（可选的）

如何等待？

这里就要引入两个函数：wait/waitpid（系统调用）

wait：等待一个子进程状态发生变化，等待成功时，会返回子进程的pid（等待父进程中，任意一个子进程退出）

接下来看一段代码：
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>void ChildRun()
{int cnt = 5;while (cnt){printf("I am child process, pid: %d, ppid:%d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);sleep(1);cnt--;}
}int main()
{printf("I am father, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());pid_t id = fork();if (id == 0){ChildRun();printf("child quit ...\n");exit(0);}sleep(10);// fahterpid_t rid = wait(NULL);if (rid > 0){printf("wait success, rid: %d\n", rid);}else{printf("wait failed !\n");}sleep(3);printf("father quit...\n");}
窗口一：while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep mytest  | grep -v grep; sleep 1; done

窗口二：执行该程序

经过测试我们发现：开始5s子进程运行，退出后处于僵尸状态，父进程等待成功后僵尸不在，结束后父进程退出。（等待成功后，解决子进程僵尸问题）
        如果子进程没有退出，父进程就会进行阻塞等待（等待子进程的变化，实际上就是进程阻塞了），在这个案例中，子进程本质就是软件，父进程本质就是在等待某种软件条件就绪。

waitpid方法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
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。

获取子进程status

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。
status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

下图是关于status在32位机器下的使用情况，退出码占最后16比特的前八位，后8为则是留给退出信息的

eg：野指针--段错误（使用位操作来调控status的参数）
void ChildRun()
{int *p = NULL;int cnt = 5;while(1){printf("I am child process, pid: %d, ppid:%d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);sleep(1);cnt--;*p = 100;}
}int main()
{printf("I am father, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());pid_t id = fork();if(id == 0){// childChildRun();printf("child quit ...\n");exit(123);}sleep(7);// fahter//pid_t rid = wait(NULL);int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid > 0){printf("wait success, rid: %d\n", rid);}else{printf("wait failed !\n");}sleep(3);printf("father quit, status: %d, child quit code : %d, child quit signal: %d\n", status, (status>>8)&0xFF, status & 0x7F);
}
运行结果：kill的11信号，表示段错误，报错正确。

eg：使用宏直接调控status的参数

WIFEXITED判断进程是不是正常结束的，如果想单独知道退出信号还是需要位操作去调控； WEXITSTATUS在WIFEXITED为真的情况下，提取进程的退出码。

进程正常退出，获取退出码

在上面我们介绍了阻塞等待（如果子进程没有退出，父进程就会进行阻塞等待（等待子进程的变化，实际上就是进程阻塞了），在这个案例中，子进程本质就是软件，父进程本质就是在等待某种软件条件就绪。）

接下来我们来了解一下非阻塞等待：

非阻塞等待是一种在编程中使用的机制，允许一个进程或线程在等待某个事件（例如子进程的结束、数据的到达或其他类型的信号）发生时，不会被阻塞或挂起，而是可以继续执行其他任务。当然你可以在一个循环中多次的对子进程进行检测，如果还没好就执行其它的任务，直到子进程准备就绪。非阻塞等待的时候+循环 = 非阻塞轮询（在这种情况下，父进程就可以去进行其它的事情了）

waitpid函数的第三个参数options：用于修改waitpid的行为。
为了实现非阻塞等待，我们需要使用WNOHANG这个选项。当设置了WNOHANG时，waitpid会立即返回，无论子进程是否结束。如果子进程已经结束，waitpid会返回子进程的PID；如果子进程还没有结束，waitpid会返回0；如果出错，会返回-1。

代码演示：
void ChildRun()
{int cnt = 5;while(cnt){printf("I am child process, pid: %d, ppid:%d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);sleep(1);cnt--;}
}int main()
{printf("I am father, pid: %d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());pid_t id = fork();if(id == 0){// childChildRun();printf("child quit ...\n");exit(123);}// fatherwhile(1){int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, WNOHANG); // non blockif(rid == 0)//如果返回子为0说明子进程未就绪，父进程可以执行自己的任务{sleep(1);//每1秒检测一次printf("child is running, father check next time!\n");//DoOtherThing();}else if(rid > 0){if(WIFEXITED(status)){printf("child quit success, child exit code : %d\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("child quit unnormal!\n");}break;}else{printf("waitpid failed!\n");break;}}
运行结果：