【Linux跬步积累】—— 进程创建、进程终止、进程等待、进程程序替换、做一个简易的shell

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进程创建

fork函数初识

在Linxu中fork函数是非常重要的函数，它从已存在的经常中创建一个新的进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#inlcude <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值： 子进程中返回0，父进程返回子进程的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存数据结构给子进程
• 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。而且他们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始他们自己的旅程，看如下程序。

运行结果：

这里看到了三行输出，一行before，两行after。进程32384先打印before消息，然后它又打印after。另一个after消息由32385打印的。注意到进程32385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。

fork函数返回值

• 子进程返回0
• 父进程返回的是子进程的pid

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？

答：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？

答：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。

也就是说，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。

写时拷贝

当子进程刚刚被创建时，子进程和父进程的数据和代码是共享的，即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时，才将父进程的数据在内存当中拷贝一份，然后再进行修改。

这种在需要进行数据修改时再进行拷贝的技术，称为写时拷贝技术。

1. 为什么数据要进行写时拷贝？

答：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。

2. 为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？

答：子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在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，在需要修改数据再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间。

3. 代码会不会进行写时拷贝？

答：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。

fork常规用法

• 一个父进程希望复制自己，是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调用失败的原因

• 系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。
• 实际用户的进程数超过了限制，子进程创建失败。

进程终止

进程退出场景

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果不正确
• 代码异常终止（进程崩溃）

注意： 函数退出时，仅仅表示函数调用完毕！

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。

当我们的代码运行起来就变成了进程，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信息。

例如，对于下面这个简单的代码：

代码运行结束后，我们可以查看该进程的进程退出码。

[_HPH@iZbp1ezziqb3x7ubzpkn9wZ ProcTermination]$ echo $?

这时便可以确定main函数是顺利执行完毕了。

为什么以0表示代码执行成功，以非0表示代码执行错误？

答：因为代码执行成功只有一种情况，成功了就是成功了，而代码执行错误却有多种原因，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：

运行代码后我们就可以看到各个错误码所对应的错误信息：

实际上Linux中的ls、pwd等命令都是可执行程序，使用这些命令后我们也可以查看其对应的退出码。

可以看到，这些命令成功执行后，其退出码也是0。

但当命令执行错误后，其退出码就是非0数字，该数据表示对应的错误信息。

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认为规定的，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

return退出

在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。

例如，在main函数最后使用return退出进程。

运行结果：

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：

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函数终止进程。

例如，以下代码中exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。

运行结果：

_exit函数

使用_exit函数退出进程的方法我们并不经常使用，_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。

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。

运行结果：

return、exit和_exit之间的区别和联系

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、冲刷缓冲区、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

执行return num等同于执行exit(num)，因为调用main函数运行结束之后，会将main函数的返回值当做exit的参数来调用exit函数。

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

情况一：向进程发送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。

进程等待

进程等待的必要性

• 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。
• 进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，kill -9也无能为力，因为谁也没有办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。（读取子进程的退出信息，本质是读取内核数据结构！）

进程等待的方法

wait方法

头文件
#include<sys/sypes.h>
#include<sys/wait.h>

函数原型： 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>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0){
		//child
		int count = 10;
		while(count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0){
		//wait success
		printf("wait child success...\n");
		if(WIFEXITED(status)){
			//exit normal
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：

[_HPH@iZbp1ezziqb3x7ubzpkn9wZ ProcTermination]$ while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "#####################";sleep 1;done

这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。

waitpid方法

函数原型：
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只是错误所在。

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。

例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child          
		int count = 10;
		while (count--){
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	//father           
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if (ret >= 0){
		//wait success                    
		printf("wait child success...\n");
		if (WIFEXITED(status)){
			//exit normal                                 
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
		else{
			//signal killed                              
			printf("killed by siganl %d\n", status & 0x7F);
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。

注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

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。

基于非阻塞接口的轮检测方案

上述所给的例子中，当子进程未退出时，父进程都一直在等待子进程退出，再等待期间，父进程不能做任何事情，这种等待叫做阻塞等待。

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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

int main()
{
	pid_t id=fork();
	if(id == 0)
	{
		int count=3;
		while(count--)
		{
			printf("child do something...PID:%d,PPID:%d\n",getpid(),getppid());
			sleep(3);
		}
	}
	while(1)
	{
		pid_t status=0;
		pid_t ret=waitpid(id,&status,WNOHANG);
		if(ret>0)
		{
			printf("wait child success...\n");
			printf("exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
			break;
		}
		else if(ret==0)
		{
			printf("father do other things...\n");
			sleep(1);
		}
		else
		{
			printf("waitpid error...\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

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。

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（但有可能执行不用的代码分支），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，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之后，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实拷贝，此后父子进程的代码和数据就分离了，因此子进程进程程序替换之后不会影响父进程的代码和数据。

替换函数

替换函数有六种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=2024",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=2024", 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。

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变量
execl	列表	否	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	否	否，需要自己组装环境变量
execv	数组	否	是
execvp	数组	否	是
execve	数组	否	否，需要自己组装环境变量

实际上，只有execve才是真正的系统调用，其他五个函数最终都是调用的execve，所以execve在man手册的2号手册，而其他五个函数在man手册的3号手册，也就是说其他五个函数其实是对execve进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。

下图为exec系列函数族之间的关系：

做一个简易的shell

shell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，只需要执行一下步骤：

1. 获取命令行
2. 解析命令行
3. 创建子进程
4. 替换子进程
5. 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。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

#define SIZE 1024
#define MAX_ARGC 64

char* argv[MAX_ARGC];
int lastcode=0;
char pwd[1024];
char env[1024];

const char* UserName()
{
    char* name = getenv("USER");
    if(name) return name;
    else return "None";
}

const char* HostName()
{
    char* name = getenv("HOSTNAME");
    if(name) return name;
    else return "None";
}

const char* CurrentWorkDir()
{

    char* name = getenv("PWD");
    if(name) return name;
    else return "None";
}

char* Home()
{
    return getenv("HOME");
}

int Interactive(char* out,int size)
{

    printf("[%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
    //获取一行的数据
    fgets(out,size,stdin);//读取一行信息，包括最后人为的回车
    out[strlen(out)-1]=0;//'\0',commandline是空串的情况
    return strlen(out);
}

void Split(char* in)
{
    int i=0;
    argv[i++]=strtok(in," ");//"ls -a -l"
    while(argv[i++]=strtok(NULL," "));
    if(strcmp(argv[0],"ls")==0)
    {
        argv[i-1]=(char*)"--color";
        argv[i]=NULL;
    }
}

void Execute()
{
    //使用子进程执行
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        execvp(argv[0],argv);
        exit(1);
    }
    int status=0;
    pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
    if(id == rid)
    {
        lastcode = WEXITSTATUS(status);//获取退出码
    }
}

int BuildinCmd()
{
    int ret=0;
    //1.检测是否是内建命令，是 1 ，否 0
    if(strcmp("cd",argv[0])==0)
    {
        ret=1;
        char *target = argv[1];//cd xxx or cd 
        if(!target) target=Home();
        chdir(target);//将当前工作目录改为target
        char temp[1024];
        getcwd(temp,1024);//获取工作目录的完整路径
        snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",temp);//pwd中存储的是PWD=加上temp的内容
        putenv(pwd);//更新环境变量，有固定格式，所以前面需要加上 PWD=
    }
    else if(strcmp("export",argv[0])==0)
    {
        ret=1;
        if(argv[1])
        {
            strcpy(env,argv[1]);
            putenv(env);
        }
    }
    else if(strcmp("echo",argv[0])==0)
    {
        ret=1;
        if(argv[1]==NULL){
            printf("\n");
        }
        else{
            if(argv[1][0]=='$')
            {
                if(argv[1][1]=='?')
                {
                    printf("%d\n",lastcode);
                    lastcode=0;//退出码
                }
                else
                {
                    char* e=getenv(argv[1]+1);
                    if(e) printf("%s\n",e);
                }
            }
}

int main()
{
    while(1)
    {
        char commandline[SIZE];
        //1.打印命令行提示符，获取用户输入的命令字符串
        int n=Interactive(commandline,SIZE);//n用来获取字符串个数
        if(n==0) continue;
        //2.对命令字符串进行切割
        Split(commandline);
        //3.处理内建命令
        n=BuildinCmd();
        if(n) continue;
        //4.执行命令
        Execute();
    }
    return 0;
}

说明：
当执行./myshell命令之后，便是我们自己实现的shell在进行命令行解释，我们自己实现的shell在子进程退出后都打印了子进程的退出码，我们可以根据这一点来区分我们当前使用的是Linux操作系统的shell还是我们自己实现的shell。