一、进程创建
fork函数初识
在Linux中，fork函数是非常重要的函数，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。
返回值：
在子进程中返回0，父进程中返回子进程的PID，子进程创建失败返回-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。
fork之后，父子进程代码共享。也就是说，fork之前父进程独立执行，而fork之后父子两个执行流分别执行。
注意： fork之后，父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定。
fork函数返回值
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指派任务。
为什么fork函数有两个返回值？
父进程调用fork函数后，为了创建子进程，fork函数内部将会进行一系列操作，包括创建子进程的进程控制块、创建子进程的进程地址空间、创建子进程对应的页表等等。子进程创建完毕后，操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表当中，此时子进程便创建完毕了。
因此，在fork函数内部执行return语句之前，子进程就已经创建完毕了，那么之后的return语句不仅父进程需要执行，子进程也同样需要执行，这就是fork函数有两个返回值的原因。
二、进程终止
进程退出场景
进程退出只有三种情况：
1.代码运行完毕，结果正确。
2.代码运行完毕，结果不正确。
3.代码异常终止（进程崩溃）。
进程退出码
我们都知道main函数是代码的入口，但实际上main函数只是用户级别代码的入口，main函数也是被其他函数调用的，例如在VS2013当中main函数就是被一个名为__tmainCRTStartup的函数所调用，而__tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统所调用的，也就是说main函数是间接性被操作系统所调用的。
既然main函数是间接性被操作系统所调用的，那么当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，这就是为什么我们都在main函数的最后返回0的原因。
当进程结束后main函数的返回值实际上就是该进程的进程退出码，我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息:
相反的，当返回的是非0表示代码执行错误，代码执行错误有多种原因，例如内存空间不足、非法访问以及栈溢出等等，我们就可以用这些非0的数字分别表示代码执行错误的原因。
C语言当中的strerror函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：
运行代码：
注意： 退出码都有对应的字符串含义，帮助用户确认执行失败的原因，而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的，我们也可以自己规定，不同环境下相同的退出码的字符串含义可能不同。
进程正常退出
1.return退出
在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。那如果是非main函数使用return呢，则代表函数返回，并不会造成进程退出，例如在main函数中调用Fun()函数，Fun()函数中使用return 1，此时main函数在调用完Fun()函数后进程依旧在进行中，并没有立即退出。
2.exit函数
使用exit函数退出进程也是我们常用的方法，exit函数可以在代码中的任何地方退出进程，并且exit函数在退出进程前会做一系列工作：
- 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，所有的缓存数据均被写入。
- 调用_exit函数终止进程。
例如:
执行上面代码，会在四秒后输出打印hello world!，我们知道在睡眠的过程中，代码数据是保存在输出缓冲区中的，当调用exit()后，本身会要求系统进行缓冲区刷新，此时就会写入缓存区的数据，然后终止进程。
3._exit函数
_exit函数也可以在代码中的任何地方退出进程，但是_exit函数会直接终止进程，并不会在退出进程前会做任何收尾工作（比如刷新缓冲区）。
例如，以下代码中使用_exit终止进程，则缓冲区当中的数据将不会被输出。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd>//_exit()需要
int main()
{
printf("hello world!");
sleep(4);
_exit(12);
}
return、exit和_exit之间的区别与联系
return、exit和_exit之间的区别
只有在main函数当中的return才能起到退出进程的作用，子函数当中return不能退出进程，而exit函数和_exit函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用。
使用exit函数退出进程前，exit函数会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再终止进程，而_exit函数会直接终止进程，不会做任何收尾工作。
return、exit和_exit之间的联系
1、执行return num等同于执行exit(num)，因为调用main函数运行结束后，会将main函数的返回值当做exit的参数来调用exit函数。
2、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。
进程异常退出
即程序崩溃，此时退出码也变得没有意义了。
情况一：向进程发生信号导致进程异常退出。
例如，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使得进程异常退出等。
情况二：代码错误导致进程运行时异常退出。
例如，代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出，或是出现除0的情况使得进程运行时异常退出等。
贴士：
三、进程等待
进程等待的必要性
- 子进程退出，父进程如果不读取子进程的退出信息，子进程就会变成僵尸进程，进而造成内存泄漏。
- 进程一旦变成僵尸进程，那么就算是kill -9命令也无法将其杀死，因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。
- 对于一个进程来说，最关心自己的就是其父进程，因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
- 父进程需要通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息。
进程等待的方法
wait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
例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
#include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<stdlib.h>
4 #include<unistd.h>
5 #include<sys/types.h>
6 #include<sys/wait.h>
7 int main()
8 {
9 /* for(int i=0;i<140;i++)
10 {
11 printf("%d: %s\n",i,strerror(i));
12
13 }
14 return 0;
15 */
16
17 pid_t id=fork();
18 if(id==0)
19 {
20 //child
21 int cnt=5;
22 while(cnt)
23 {
24 printf("child[%d] is running:cnt is :%d\n",getpid(),c nt);
25 cnt--;
26 sleep(1);
27
28 }
29 exit(0);
30 }
31
32 sleep(10);
33 printf("father wait begin!\n");
34 pid_t ret=wait(NULL);
35 if(ret>0)
36 {
37 printf("father wait:%d,success\n",ret);
38 }
39 else{
40 printf("father wait failed!\n");
41 }
42 sleep(10);
43 //father
44 }
我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done
waitpid方法
pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
作用：等待指定子进程或任意子进程。
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,等待任意一个子进程。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。
例1：我们保持原wait测试代码不动，仅将pid_t ret=wait(NULL);改为
pid_t ret=waitpid(id,NULL,0);
//第一个参数和子进程的进程id相同，所以为等待指定进程
运行有如下结果：
可以看到实现了和wait同样的效果。
如果我们将pid_t ret=waitpid(id,NULL,0);修改为pid_t ret=waitpid(-1,NULL,0);
则代表等待任意一个子进程，因为我们例子中只创建了一个子进程，所以两者效果相同，等待的是同一个子进程。
获取子进程status
我们再来理解下参数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。
在等待之后，父进程能够拿到什么status结果，一定和子进程如何退出强相关，而子进程退出的话题，不就是我们刚刚讲到的进程退出吗？也就是说，父进程会通过status获得子进程执行的结果。
我们知道，进程退出的三种场景：
1.代码运行完毕，结果正确。
2.代码运行完毕，结果不正确。
3.代码异常终止（进程崩溃）。
当代码运行完毕，也就是正常结束，我们会通过return或者exit获取进程退出码，如果进程因为异常问题，导致接受到了某种信号，进程也就会崩溃。
那么status怎样表示进程信息的呢？
status是一个整型变量，但status不能简单的当作整型来看待，status的不同比特位所代表的信息不同，具体如下（只研究status低16比特位）：
在status的低16比特位当中，高8位表示进程的退出状态，即退出码。低7位表示终止信号，而第8位比特位是core dump标志。
我们通过一系列位操作，就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。
exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F; //退出信号
对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。
WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。
WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。
- exitNormal = WIFEXITED(status); //是否正常退出
- exitCode = WEXITSTATUS(status); //获取退出码
举例：
#include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<stdlib.h>
4 #include<unistd.h>
5 #include<sys/types.h>
6 #include<sys/wait.h>
7 int main()
8 {
9 /* for(int i=0;i<140;i++)
10 {
11 printf("%d: %s\n",i,strerror(i));
12
13 }
14 return 0;
15 */
16
17 pid_t id=fork();
18 if(id==0)
19 {
20 //child
21 int cnt=3;
22 while(cnt)
23 {
24 printf("child[%d] is running:cnt is :%d\n",getpid(),cnt);
25 cnt--;
26 sleep(1);
27
28 }
29 exit(11);//子进程退出结果
30 }
//sleep(10);
33 printf("father wait begin!\n");
34 // pid_t ret=wait(NULL);
35 // pid_t ret=waitpid(-1,NULL,0);
36 //
37 int status=0;
38 pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
39 if(ret>0)
40 {
41 //tatus exit code：退出码 status exit signal:退出信号
42 printf("father wait:%d,success,status exit code:%d,status exit signal:%d\n",ret,(status)>>8&0xFF,status&0x7f);
43 }
44 else{
45 printf("father wait failed!\n");
46 }
47 // sleep(10);
48 //father
49 }
需要注意的是，当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀（进程信号不为0），那么该进程的退出码也就没有意义了。
用宏的方式：
wait的应用：我们在命令行执行一个A进程后，可以通过echo $?获取此进程的退出码，是如何获取的呢？
我们知道A进程的父进程是bash(命令行启动的所有进程的父进程)，那么bash就是通过wait方式得到子进程的退出码，所以我们可以通过
echo $?获取A进程的退出码
多进程创建以及等待的代码模型
上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子，实际上我们还可以同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出，这叫做多进程创建以及等待的代码模型。
例如，以下代码中同时创建了10个子进程，同时将子进程的pid放入到ids数组当中，并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标，之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t ids[10];
for (int i = 0; i < 10; i++){
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
printf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());
sleep(3);
exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
}
//father
ids[i] = id;
}
for (int i = 0; i < 10; i++){
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
if (ret >= 0){
//wait child success
printf("wiat child success..PID:%d\n", ids[i]);
if (WIFEXITED(status)){
//exit normal
printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
//signal killed
printf("killed by signal %d\n", status & 0x7F);
}
}
}
return 0;
}
运行代码，这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。
上述所给例子中，当子进程未退出时，父进程都在一直等待子进程退出，在等待期间，父进程不能做任何事情，即父进程不被调度执行，这种等待叫做阻塞等待。
基于非阻塞接口的轮询检测方案
实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出，而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情，当子进程退出时再读取子进程的退出信息，即非阻塞等待。
做法很简单，向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG，这样一来，等待的子进程若是没有结束，那么waitpid函数将直接返回0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的pid。
例如，父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数，若是等待的子进程尚未退出，则父进程可以先去做一些其他事，过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。
举例：
int main()
8 {
9
10 pid_t id=fork();
11 if(id==0)
12 {
13 //child
14 int cnt=10;
15 while(cnt)
16 {
17 printf("child[%d] is running:cnt is :%d\n",getpid(),cnt);
18 cnt--;
19 sleep(1);
20
21 }
22 exit(1);//子进程退出结果
23 }
24
25 //sleep(10);
26 printf("father wait begin!\n");
27 // pid_t ret=wait(NULL);
28 // pid_t ret=waitpid(-1,NULL,0);
29 //
30 int status=0;
31 while(1)
32 {
33 pid_t ret=waitpid(id,&status,WNOHANG);
34 if(ret==0)
35 {
36 //子进程没有退出，但是waitpid等待是成功的，需要父进程重新进行等待
37 //父进程可以做自己的事情，叫做非阻塞等待
38 printf("DO father things\n");
39 }
else if(ret>0){
42 //子进程退出了，waitpid也成功了，获取到了对应的结果
43 printf("father wait:%d,success,status exit code:%d,status exit signal:%d\n",ret,(status)>> 8&0xFF,status&0x7f);
44 break;
45 }
46 else{
47 //等待失败
48 perror("waitpid");
49 break;
50 }
51 sleep(1);
52 }
53 }
运行结果就是，父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出，若未退出，则父进程先去忙自己的事情，过一段时间再来查看，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
四、进程程序替换
替换原理
用fork创建子进程后，子进程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），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec函数。
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（从调用开始的位置之后旧程序不会执行），并从新程序的启动例程开始执行。
当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？
进程程序替换之后，该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。
子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？
子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。
注意：当进程调用exec系列函数时，后续被替换的代码就不会执行，也就是说不会有返回值，如果有返回值，说明exec函数调用失败
替换函数
替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：
一、int execl(const char *path, const char *arg, ...);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
二、int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);
三、int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。
例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);
四、int execv(const char *path, char *const argv[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);
五、int execvp(const char *file, char *const argv[]);
第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。
例如，要执行的是ls程序。
char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);
六、int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。
例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。
char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);
函数解释
- 这些函数如果调用成功，则加载指定的程序并从启动代码开始执行，不再返回。
- 如果调用出错，则返回-1。也就是说，exec系列函数只要返回了，就意味着调用失败。
命名理解
这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：
l(list)：表示参数采用列表的形式，一 一列出。
v(vector)：表示参数采用数组的形式。
p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找。
e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量。
事实上，只有execve才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的execve，所以execve在man手册的第2节，而其它五个函数在man手册的第3节，也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。
做一个简易的shell
shell也就是命令行解释器，其运行原理就是：当有命令需要执行时，shell创建子进程，让子进程执行命令，而shell只需等待子进程退出即可。
其实shell需要执行的逻辑非常简单，其只需循环执行以下步骤：
获取命令行。
解析命令行。
创建子进程。
替换子进程。
等待子进程退出。
其中，创建子进程使用fork函数，替换子进程使用exec系列函数，等待子进程使用wait或者waitpid函数。
于是我们可以很容易实现一个简易的shell，代码如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#define NUM 128
#define CMD_NUM 64
int main()
{
char command[NUM];
for(;;)
{
char *argv[CMD_NUM]={NULL};//存放各个命令
//1.打印提示符
command[0]=0;
printf("[who@myhostname mydir]#");
fflush(stdout);
//2.获取命令字符串
fgets(command,NUM,stdin);
command[strlen(command)-1]='\0';
//3.解析命令字符串
//"ls -a -b -c\0";
const char* sep=" ";
argv[0]=strtok(command,sep);
int i=1;
while(argv[i]=strtok(NULL,sep))
{
i++;
}
//3.5检测命令是否是需要shell本身执行的，内建命令
if(strcmp(argv[0],"cd")==0)
{
if(argv[1]!=NULL) chdir(argv[1]);
continue;
}
//4.执行第三方命令
if(fork()==0)//child
{
execvp(argv[0],argv);
exit(1);
}
//parent
waitpid(-1,NULL,0);
}
}
– the End –
以上就是我分享的进程控制，感谢阅读！
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