1. 进程创建

1.1 fork函数

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：自进程中返回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，内核会做以下操作 

• 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

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。

1.2 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，就以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图:

1.3 fork常规用法

1. 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。
2. 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

• 正常退出，异常退出
• 一个进程只有在正常退出的时候，返回值才是有意义的
• 若进程异常退出，返回值没有意义

2.2 进程常见退出方法

正常退出

• 1. 从main返回
• 2. 调用exit
• 3. _exit

2.3 异常退出

• 收到kill等异常信号
• 执行代码时出现错误，操作系统发送信号，随后通知的进程

exit函数和_exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
void exit(int status);

• 参数：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。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值 是255

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

1. 执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。

2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入

3. 调用_exit

2.4 return退出

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。

3. 进程等待

3.1意义：

• 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。
• 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。
• 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

3.2 方法

#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

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。

• 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。

3.3 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）：

status解引用后是int型变量，占据四个字节的内存空间。但它的四个字节并不是都存储着进程的退出返回值。如图所示：我们给每个字节从高地址到低地址依次编号：1、2、3、4字节。

一个进程退出的场景只有两个

正常退出和异常退出

3.3.1 位运算法

因此在获取返回值之前，先通过低七位判断进程是否正常退出

• 判断是否正常退出：如果status & 0x7f == 0就能判断一个进程是正常退出,否则就是异常退出
• 解释：因为异常退出码占用的是4号字节中的低7位，因此我们可以通过(*status)和16进制数(0x7f)进行与运算得到异常退出码。

 

• 在判断返回值有意义后，取出低16位中的高8位
• 取出方法：（status >> 8) & 0xff的结果
• 解释：我想取出低16位中的高8位，需要先将status右移8位，随后与1111 1111进行按位与，得到结果
   

因为返回值只用了一个字节保存，因此进程的返回值最好不要大于255

3.3.2 宏函数

WIFEXITED(status) 等价于 ( (*status)&(0x7f) )==0 ，当异常退出码是0，宏函数返回true，表示进程的退出返回值有意义

WEXITSTATUS(status) 等价于 ( (*status >> 8)&(0xff) )，这样直接就可以得到进程的退出返回值。

二进制十进制十六进制的转换方法

教你快速学会二进制、十进制、十六进制之间的转换 - 知乎 (zhihu.com)

 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0){printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);return 1;}else if (pid == 0){ // childprintf("child is run, pid is : %d\n", getpid());sleep(5);exit(1);}else{int status = 0;pid_t ret = 0;do{ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞式等待if (ret == 0){printf("child is running, i have some task\n");}sleep(1);} while (ret == 0);if (WIFEXITED(status) && ret == pid){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n", WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}return 0;
}

4. 进程的程序替换

4.1 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),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:

#include <unistd.h>`
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[]);

还有 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。
• 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。

4.2 命名理解

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 <unistd.h>
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);
}

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在 man手册第3节。

5. 制作做一个简易的shell