linux：进程空间的回收，exec族

父子进程的关系

  • 子进程是父进程的副本：这个说法在概念上是正确的，但实际上，子进程并不是父进程的完全物理副本。在Unix和类Unix系统中，fork() 系统调用创建了一个与父进程几乎完全相同的子进程，包括环境变量、打开的文件描述符、当前工作目录等。但是，子进程和父进程在内存中的物理表示是不同的，它们各自拥有自己的地址空间。

  • 共享与独立：子进程和父进程的正文段（text segment，即程序代码）在物理上是共享的（通过操作系统的内存管理机制，如页表），但它们是只读的。数据段（data segment）、堆（heap）和栈（stack）在逻辑上是独立的，每个进程都有自己的副本。这意味着，如果你在一个进程中修改了堆或栈上的数据，这种修改不会影响到另一个进程。

（1）fork的返回值 （2)pid不同

进程的终止：8中情况

    1）main 中return
    2）exit()， c库函数，会执行io库的清理工作，关闭所有 的流，以及所有打开的文件。已经清理函数（atexit）。
    3）_exit,_Exit 会关闭所有的已经打开的文件，不执行清理函数。
    4)    主线程退出
    5）主线程调用pthread_exit
    异常终止
    6）abort()
    7）signal   kill pid
    8)最后一个线程被pthread_cancle

僵尸进程（Zombie Process）

僵尸进程是指那些已经执行完毕但尚未被其父进程通过wait()或waitpid()系统调用回收其资源（如进程描述符、内核栈等）的进程。这些进程在进程表中仍保留一个条目，以便父进程能够查询其退出状态，但它们不再占用CPU或内存资源（除了进程表中的一个条目）。僵尸进程的存在本身并不是问题，但如果一个父进程创建了大量子进程而不回收它们，这些僵尸进程就会积累在进程表中，消耗系统资源。

孤儿进程（Orphan Process）

孤儿进程是指其父进程已经终止或被杀死的进程。当一个父进程终止时，它的所有子进程都将由init进程（进程ID为1）接管。init进程会定期检查其下的子进程，并使用wait()或waitpid()回收它们的状态和资源，从而避免产生僵尸进程。

exit     库函数

    退出状态，终止的进程会通知父进程，自己使如何终止的。如果是正常结束（终止），则由exit传入的参数。如果是异常终止，则有内核通知异常终止原因的状态。任何情况下，负进程都能使用wait，waitpid获得这个状态，以及资源的回收。
    void exit(int status) 
    exit(1);
    功能:
        让进程退出,并刷新缓存区
    参数：
        status:进程退出的状态
    返回值:
        缺省

return和exit

  • 当return出现在main函数中时，它确实会结束进程的执行，并返回给操作系统一个退出状态。这个退出状态可以被父进程通过wait()或waitpid()系统调用捕获。
  • 当return出现在其他函数中时，它表示结束该函数的执行，并将控制权返回给调用者。如果该函数有返回值类型（非void），则return语句后面需要跟上相应的返回值。

exit是C标准库中的一个函数，用于终止当前进程的执行。它的行为大致如下：

  1. 刷新缓存区：exit函数会首先刷新所有输出缓冲区（如stdout和stderr），确保所有待写数据都被发送到它们的目的地（如终端或文件）。

  2. 调用atexit注册的退出函数：在程序正常终止时（即不是通过abort、_exit或接收到致命信号而终止），exit会按照它们被注册的顺序逆序调用所有通过atexit函数注册的清理函数。这些函数用于执行必要的清理工作，如释放资源、关闭文件等。

  3. 执行_exit（或类似）：实际上，exit函数并不直接调用_exit（注意，_exit是POSIX标准中的一个函数，而_Exit是C11标准中引入的宏，它们的行为相似但略有不同）。但是，在完成了上述步骤之后，exit函数会以一种方式终止进程，这种方式在效果上与_exit或_Exit相似，即直接终止进程而不返回到调用者，并且不会执行任何进一步的清理工作（因为exit已经完成了这些工作）。然而，从exit到_exit（或类似机制）的具体实现细节是库依赖的，并且对于大多数用户来说是不可见的。

  4. 向操作系统报告退出状态：最后，exit会将传递给它的状态码作为进程的退出状态报告给操作系统。这个状态码可以被父进程捕获，用于判断子进程的终止原因。

需要注意的是，虽然exit和_exit/_Exit都用于终止进程，但它们的行为有所不同。exit会执行清理工作（如刷新输出缓冲区、调用atexit注册的函数），而_exit/_Exit则不会。因此，在大多数情况下，应该使用exit来终止程序，除非有特殊的需求需要绕过这些清理步骤。

_exit    系统调用

    void _exit(int status);
    功能:
        让进程退出,不刷新缓存区
    参数:
        status:进程退出状态
    返回值:
        缺省

atexit

    int atexit(void (*function)(void));
    功能:
        注册进程退出前执行的函数
    参数:
        function:函数指针
            指向void返回值void参数的函数指针
    返回值:
        成功返回0
        失败返回非0

    当程序调用exit或者由main函数执行return时,所有用atexit
    注册的退出函数,将会由注册时顺序倒序被调用
 

进程空间的回收

1、wait ()函数

wait/waitpid

    pid_t wait(int *status);
功能：该函数可以阻塞等待任意子进程退出
      并回收该进程的状态。
      一般用于父进程回收子进程状态。

参数：status 进程退出时候的状态
      如果不关心其退出状态一般用NULL表示
      如果要回收进程退出状态，则用WEXITSTATUS回收。

返回值：成功 回收的子进程pid
        失败 -1；
  这个函数会阻塞父进程的执行，直到一个子进程结束。当子进程结束时，wait() 函数会收集子进程的结束状态，并允许父进程继续执行。

宏的功能

  • WIFEXITED(status)：检查子进程是否通过调用 exit() 或从 main() 函数返回而正常退出。如果是，返回非零值（真）。

  • WEXITSTATUS(status)：如果 WIFEXITED() 返回真，则 WEXITSTATUS(status) 宏返回子进程的退出状态。这个状态是子进程通过 exit() 函数的参数或 main() 函数的返回值提供的。

  • WIFSIGNALED(status)：检查子进程是否因为接收到一个未被捕获的信号而终止。如果是，返回非零值（真）。

  • WTERMSIG(status)：如果 WIFSIGNALED() 返回真，则 WTERMSIG(status) 宏返回导致子进程终止的信号的编号。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{pid_t ret = fork();if(ret>0){//fatherprintf("father is %d   pid %d ,ppid:%d  \n",a,getpid(),getppid());int status;pid_t pid = wait(&status);if(WIFEXITED(status))// 代表子进程正常结束{//正常结束的子进程，才能获得退出值printf("child quit values %d\n",WEXITSTATUS(status));}if(WIFSIGNALED(status))//异常结束{printf("child unnormal signal num %d\n", WTERMSIG(status));}printf("after wait, %d\n",status);}else if(0 == ret){//childprintf("child a is %d pid:%d ppid:%d\n",a,getpid(),getppid());sleep(5);printf("child terminal\n");exit(50);    //调用 exit() 函数时，程序会立即终止，并返回给操作系统一个整数状态码}else {perror("fork error\n");return 1;}return 0;
}

2.waitpid

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

waitpid(-1,status,0)=wait(status);
    < -1 回收指定进程组内的任意子进程
    -1 回收任意子进程，组内外
    0 回收和当前调用waitpid一个组的所有子进程，组内
    > 0 回收指定ID的子进程
     waitpid (-1,a,0)  == wait(a);
     status 子进程退出时候的状态，
              如果不关注退出状态用NULL；
      options 选项：
                  0  表示回收过程会阻塞等待
                WNOHANG 表示非阻塞模式回收资源。
    返回值：成功 返回接收资源的子进程pid
        失败  -1
        0,

练习：waitpid()函数等待子进程结束，同时获取子进程的退出状态

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{pid_t ret = fork();if(ret>0){//fatherprintf("father  pid %d ,ppid:%d  \n",getpid(),getppid());int status;while(1){pid_t pid = waitpid(ret,&status, WNOHANG);if(ret == pid){if(WIFEXITED(status))// 代表子进程正常结束{//正常结束的子进程，才能获得退出值printf("child quit values %d\n",WEXITSTATUS(status));}if(WIFSIGNALED(status))//异常结束{printf("child unnormal signal num %d\n", WTERMSIG(status));}break;}else if(0 == pid){printf("子进程未结束，稍后在试\n");}}printf("after wait, %d\n",status);}else if(0 == ret){//childprintf("child  pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);printf("child terminal\n");exit(50);}else {perror("fork error\n");return 1;}return 0;
}

练习： 设计一个多进程程序，用waitpid函数指定回收
    其中的某个进程资源并将其状态打印输出。
    其他的进程都以非阻塞方式进行资源回收

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{int i = 0 ;pid_t ret[5]={0};printf("father  pid %d ,ppid:%d  \n",getpid(),getppid());for(i = 0 ;i<5;i++){ret[i] = fork();if(ret[i]>0){//father}else if(0 == ret[i]){//childprintf("child  pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(rand()%5);exit(1);}else {perror("fork error\n");return 1;}}int status;while(1){pid_t pid = waitpid(ret[2],&status, WNOHANG);if(ret[2] == pid){if(WIFEXITED(status))// 代表子进程正常结束{//正常结束的子进程，才能获得退出值printf("child quit values %d\n",WEXITSTATUS(status));}if(WIFSIGNALED(status))//异常结束{printf("child unnormal signal num %d\n", WTERMSIG(status));}printf("father recycle success, pid :%d\n",pid);break;}else if(0 == pid){printf("子进程未结束，稍后在试\n");sleep(1);}}printf("after wait, %d\n",status);return 0;
}

exec族

     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。其实有六种以exec开头的函数，统称exec函数

exec 函数族是用于执行新程序的一组函数。这些函数将当前进程的映像替换为一个新的程序，但进程ID（PID）保持不变。

1. execv()

  • 原型：int execv(const char *path, char *const argv[]);
  • 功能：execv函数通过指定的文件路径（path）来执行一个程序，并将参数列表（argv）传递给该程序。argv数组的第一个元素通常是被执行程序的名称，之后的元素是传递给程序的参数，数组以NULL指针结束。
  • 返回值：如果execv调用成功，它不会返回；如果调用失败，则返回-1，并设置errno以指示错误原因。

2. execvp()

  • 原型：int execvp(const char *file, char *const argv[]);
  • 功能：execvp函数类似于execv，但它会在环境变量PATH指定的目录列表中搜索file指定的程序。如果找到，则执行该程序，并将argv数组作为参数传递。
  • 返回值：与execv相同，成功时不返回，失败时返回-1并设置errno。

3. execl()

  • 原型：int execl(const char *path, const char *arg, ..., /* (char *) NULL */);
  • 功能：execl函数直接接受一个可变数量的参数来指定要执行的程序路径（path）和传递给该程序的参数列表。参数列表以NULL结束（注意，由于这是变参函数，NULL并不作为参数显式传递，而是通过函数参数列表的结束来隐式表示）。
  • 返回值：与execv相同，成功时不返回，失败时返回-1并设置errno。

4. execlp()

  • 原型：int execlp(const char *file, const char *arg, ..., /* (char *) NULL */);
  • 功能：execlp函数结合了execl和execvp的特点。它接受一个可变数量的参数来指定要执行的程序名称（file）和传递给该程序的参数列表，但它会在环境变量PATH指定的目录列表中搜索该程序。
  • 返回值：与execv相同，成功时不返回，失败时返回-1并设置errno。

1），前4个使用路径名作为参数，后面两个使用文件名做参数
    当filename中，含有/时视为路径名，否则就按PATH变量，在指定目录下查找可执行文件。

2）相关的参数表传递
    l表示list，v表示vector
    execl,execlp,execle,需要将参数一个一个列出，并以NULL结尾。
    execv，execvp，execve，需要构造一个参数指针数组，然后将数组的地址传入。

    3）以e结尾的函数，可以传入一个指向环境字符串的指针数组的指针。其他未指定环境变量，使用父进程继承过来的。
execve 是真正的系统调用
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。

练习：编译生成一个可执行文件”aaa“，用exec使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{execl("aaa","aaa","1","2",NULL);   //在同一个目录可以不加路径（会搜索当前路径）//execlp("./aaa","aaa","1","2",NULL);        //要给路径（搜索系统路径）char *s[]={"aaa","1","2",NULL};//execv("aaa",s);//execvp("./aaa",s);printf("error\n");exit(1);return 0;
}

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