Linux进程控制详解

前言

前面的文章都是关于进程概念的学习，今天我们就要进入一个新的章节，关于进程控制的解析，这其中我会穿插着前面已经讲过的知识，在以前知识的基础上学习新的知识，如果其中有哪里不懂的地方，大家可以去看一看我前面的文章，下面我们一起来学习新的知识吧。

一、进程创建

1.1 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。

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做:
1.分配新的内存块和内存数据结构给子进程
2.将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
3.添加子进程到系统进程列表中
4.fork返回，开始调度器调度

fork之后，父子进程代码的共享情况

1.2 写时拷贝

通常，父子代码共享，父子在不写入时，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变为各自一份副本,具体可见下图

写时拷贝的好处: 因为有写时拷贝技术的存在，所以，父子进程得以彻底分离!完成了进程独立性的技术保证!
写时拷贝是一种延时申请技术，可以提高整机内存的使用率

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。
2.一个进程要执行不同的程序

1.4 fork调用失败的原因

1.系统中有太多的进程
2.实际用户的进程数超过了限制(我们平时在写代码的时候，进程数其实是有限的)

二、进程终止

2.1 进程终止时，操作系统做了什么？？

当然是释放进程申请的相关内核数据和对应的数据和代码，本质就是释放系统资源。

2.2 进程终止的常见方式有哪些？？

a.代码跑完，结果正确
b.代码跑完，结果不正确
c.代码没有跑完，程序崩溃了(这部分涉及到了信号部分，我们先说一点点，后面再详细的说)
这里我们主要分析a、b两条内容，我先提一个问题:
大家平时在写C/C++程序的时候，一定都会写main函数，main函数最后都会有return 0，那么这里的return 0的含义是什么呢？为什么总是0，main函数返回的意义是什么？？？

在做下面的实验前我再补充一个小的知识点
echo $?:获取最近一个进程，执行完毕的退出码。

现在相信大家已经知道main函数最后的return 0是什么含义了，每一个退出码都有着不同的含义，我们通过下面的这个函数把C语言中的退出码是什么含义打印一下看看。


我们今天学习完退出码的概念，大家以后写代码的时候要可以将其应用起来，大家一起看下面的这个例子

int main()
{FILE* fp = fopen();if(fp == NULL)return 1;return 0;
}

当我们需要打开一个文件的时候，就可以使用上述的if判断语句来判断我们的这个文件是否被成功打开，当程序的退出码为1的时候，就是不允许操作，即这个文件打开失败，这样就可以更快地排查错误。

---

a、b两条内容分析完后，我们还要谈一谈c的内容，代码没有跑完，程序崩溃了。

2.3 如何用代码终止一个进程

什么是一个正确的终止？？？
1.return
main函数内的return语句，就是终止进程的，return 退出码
只有在main函数返回，进程退出
调用一些其他的函数，return则是退出当前的函数并返回一个值。
2.exit，C语言层面的函数


通过上面的情况再与return进行比较我们可以发现:
return只有在main函数中有结束进程的作用，exit在代码的任何位置调用，都表示直接终止进程!!!
3._exit，系统层面的函数

上面图片中的_exit与_Exit的作用类似，我们只用_exit来举例子，让大家看一下与_exit与exit有什么不同之处

从图中大家可以看到_exit()与exit()的区别，在平时写代码的时候还是建议大家使用exit()函数。

三、进程等待

在讲述进程等待前我们先来试想两种场景
1.子进程退出，父进程不管子进程，子进程就要处于僵尸状态，一直处于僵尸状态不释放资源，就会导致内存泄漏
2.父进程创建了子进程，是要让子进程完成一些任务的，那么子进程把任务完成得怎么样?父进程需不需要关心，如果需要，怎么得知子进程的情况，如果不需要，又要怎么处理呢?
子进程把任务完成的情况也是分为三种情况:
a.代码跑完，结果正确
b.代码跑完，结果不正确
c.代码没有爬完，程序崩溃了

3.1 进程等待的必要性

1.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。另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，即使是kill -9也无能为力，因为谁也没有办法杀去一个已经死去的进程。
2.最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们其实是需要知道的，比如子进程运行完成后，结果对不对，或者最后是否正常退出，都是我们需要考虑的问题

---

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 进程等待的方法

我们先来看一下不让父进程去回收子进程的资源的情景，来进行一下对比

在上面的代码中，我们使用fork()函数创建了一个子进程，然后让其循环五次，打印同一行代码，循环结束后，结束进程，而父进程则一直进行循环，这样当子进程结束后，父进程还在死循环，无法收集子进程的资源，那么子进程就将成为僵尸进程。下面我们来看结果

这样就导致了僵尸进程的产生，那么如何解决这个问题呢?

wait方法

主要验证回收僵尸进程的问题
wait接口，我们可以通过man 2 wait来查询关于wait的信息

当然其中也有waitpid的信息。
下面我们先来简单认识一下wait()

下面我们来看一下实验代码以及运行结果
实验一:我们先来看一下如果父进程属于睡眠状态不调用wait函数，子进程是不是还是变为僵尸进程

运行结果分析

实验二:当父进程不处于睡眠状态时，又是一种怎样的情景

运行结果分析

父进程:wait时，父进程处于阻塞式等待,父进程处于阻塞态，等子进程退出。当子进程退出时，操作系统再将父进程唤醒，放到运行队列里，由父进程调用wait函数，再返回。
父进程处于阻塞式的等待意味着: 子进程不退出，父进程也不退出

waitpid方法

进程异常退出或者崩溃，本质是操作系统杀掉了你的进程！！
操作系统如何杀掉的呢？本质是通过发送信号的方式！
下面我们来看一下实验代码以及运行结果
实验一:子进程正常结束

运行结果

实验二:子进程非正常结束(1)
注: 当进程非正常结束时，进程的退出码就没有任何意义，主要观察进程收到的信号编号

运行结果

关于信号的信息我们可以通过kill -l(小写的l)来查看
其中1~31为普通信号，没有0号信号

实验二:子进程非正常结束(2)

运行结果

实验二:子进程非正常结束(3)
程序异常，不光光是内部的代码有问题，也可能是外力杀掉了子进程(子进程代码有没有跑完并不确定)

上面的代码我们让子进程死循环，那么这个进程就会一直运行

此时我们在另一个窗口将该进程杀掉

最后父进程收到的信号编号就是9号信号

总结:
1.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
2.如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在企鹅撑场运行，则进程可能阻塞
3.如果不存在该子进程，则立即出错返回
4.往后我们编写多进程，基本的写法就是fork + wait/waitpid

补充知识

1.父进程通过wait/waitpid可以拿到子进程的退出结果，为什么要用wait/waitpid函数呢?可不可以使用全局变量？
答:不可以
因为我们在前面就说过进程具有独立性，那么数据就要发生写时拷贝，父进程无法拿到子进程内的数据，更何况是信号了
2.既然进程是具有独立性的，那进程退出码也应该是子进程的数据，父进程凭什么能拿到呢，wait/waitpid究竟做了什么事情?
答:wait/waitpid的本质其实是读取子进程的task_struct结构。
3.这又和task_struct结构有啥关系呢？？
其实最后进程退出的时候，一个进程的退出码和退出信号会被写到task_struct中(task_struct结构中有exit_pid,exit_signal两个变量)，僵尸进程也是一样的，子进程退出，那么他的代码和数据就不会被运行和应用，就可以释放相关的数据，但是至少他会保留该进程的PCB信息，task_struct里面保留了任何进程退出时的退出结果信息， wait/waitpid读取task_struct结构后再将exit_pid,exit_signal(两个字段)进行位操作设置到传入的status变量中，然后再返回出来，就可以得到子进程的信号编号和退出码
4.wait/waitpid有这个权利么？
答:肯定有这个权利
wait/waitpid属于系统调用函数，本质是操作系统去拿取task_struct中的数据，而task_struct是内核数据结构对象，所以操作系统可以对其进行读取也就没有任何问题了。

四、waitpid进一步讲解

options中的WNOHANG选项。
WNOHANG选项，代表父进程非阻塞等待！

非阻塞等待:我们的父进程通过调用waitpid来进行等待，如果子进程没有退出，我们waitpid这个系统调用会立刻返回。
了解了上面的宏定义后，我们先来使用一下，顺便再结合而代码详细介绍一下我们上面所讲的内容

下面我们来看一下waitpid的伪代码

阻塞等待我们已经讲述完毕，后面就是非阻塞等待
非阻塞等待我们还是通过代码来演示
其实非阻塞等待的最大意义在于:
当子进程还在处理自己事情的时候，父进程不需要进入阻塞状态，父进程依然可以去做一些自己的事情，当子进程处理完自己的事情以后，父进程再去回收子进程的资源和数据。

运行结果:

通过上面的运行结果，我们可以看到，当子进程还在运行的时候，父进程可以腾出来时间来处理自己的任务，这就是非阻塞等待的好处。
如果未来编写网络代码的话，大部分都是IO类别，会不断面临阻塞和非阻塞的接口

五、进程替换

5.1 概念及原理

fork()之后，父子代码是共享的，数据写时拷贝，各自一份，父子进程各自执行父进程代码的一部分，但是如果子进程就想执行一个全新的程序呢？
进程的程序替换可以完成这个功能，程序替换是通过特定的接口，加载磁盘上的一个权限的程序(代码和数据)，加载到调用进程的地址空间中，阿里让子进程执行其他的程序

---

可能上面说的内容比较抽象，大家不好理解，那么我们下面就通过画图的方式，来剖析一下进程替换的原理

5.2 操作

关于进程替换的函数有以下六个，看似很复杂，其实还是比较好理解的

下面我们先来进行一下基本的演示
1.不创建子进程
2.创建子进程
从这两个方面介绍，同时只使用最简单的exec函数，先看一看进行进程替换后会发生什么事情
后面我们会详细展开其他函数的用法

5.2.1 不创建子进程

execl

第一个我们要介绍的函数就是execl

其实该函数的可变参数列表可以参考我们平时最常用的命令行参数
下面我们就以平时用的最多的ls命令进行举例，先来看一下ls命令

红框内就是ls的路径，那么我们下面就来用ls命令进行进程替换，先看代码
在代码中，我在main函数的开始和结尾都加上了一句打印，这样就可以看到进程进行的情况，然后中间去调用函数进行进程替换。

代码运行结果

通过代码运行的结果，我们可以看到一些问题
程序刚开始运行的时候，打印了第一句代码，后面进行了程序替换，执行了ls的命令，同时也将其对应的结果打印了出来，但是最后面的一行代码并没有被打印出来，这个就是程序替换的特性
针对代码结果进行分析
1.为什么最后一句代码不打印呢？？
execl是程序替换，调用该函数成功之后，会将当前进程的所有代码和数据都进行替换，包括已经执行的和没有执行的
简单来说，就是执行execl之后，execl之前和之后的代码都会被替换掉，只不过之前的代码运气比较好，在替换之前就已经执行完了，所以才有了最开始的打印结果。而后面所有的代码，全都不会执行
2.execl的返回值

我们看手册的介绍可以得知，如果调用失败，会返回-1，但是调用成功，并不会返回值，这又是为什么呢？
为什么调用成功没有返回值呢？
这个其实也很好理解，因为execl根本不需要进行函数返回值判定，如果替换成功，execl会将main函数中包含execl本身的代码全部都替换掉，前面用于接受返回值的数据也都已经被替换了，所以也就不需要有返回值了。

---

如果想让我们打印的字体也颜色的话，就可以看ls的内容再加一些代码


讲解后面知识之前，我们先来回忆一下之前的内容
加载新程序之前，父子的数据和代码的关系:
代码共享，数据写时拷贝
当子进程加载新程序的时候，就是一种写入，那么这个时候代码要不要进程写时拷贝呢？
一定会进行写时拷贝，父子进程的代码必须要分离
所以当我们调用execl函数的时候，父子进程在代码和数据上就彻底分开了。

5.2.2 创建子进程

为什么要创建子进程呢?
为了不影响父进程，我们想让父进程聚焦在读取数据，分析数据，指派进程执行代码的功能，如果不创建，那么我们替换的进程只能是父进程，如果创建了，替换的进程就是父进程，从而不会影响父进程

---

在上面我们已经看了execl的使用，所以这里就不多说了，关于exec系列还有几个函数，我们一起来看一下

execv

实验代码及结果

execlp

实验代码及结果

execvp

实验代码及结果

---

以上的代码基本都没有什么问题，那么我们来探究一个新的问题
1.如何执行其他我自己写的C、C++二进制程序
2.如何执行其他语言的程序

execle + 执行其他的C二进制程序

Makefile操作延伸

在Makefile中替换单词
例如:将Makefile中所有的exec替换为myshell
1.先按Esc
2.输入 :(英文冒号)
3.%s/exec/myshell/g + 回车

exec.c代码

mycmd.c代码

经过我们上面的代码，成功地实现了一个程序调用另一个程序
回顾 + 总结: 环境变量具有全局属性，可以被子进程继承下去，通过execle就可以将父进程的环境变量传给子进程

执行其他语言的程序

我们这里就简单的演示一下执行python语言的程序和执行shell程序
python代码，只输出一下，能够看到我们调用了即可

shell程序代码

运行python: python test.py
运行test.sh: bash test.sh

如果我们使用shmod + x test.py也可以执行python程序，这句话的意思就是给test.py加上可执行权限，就可以将test.py变为可执行程序，那么也就能直接执行该程序，了解了这些以后，下面开始进行一下简单的调用
1.调用python程序

1.调用shell程序

以上就是调用其他程序的全部内容。大家只需要了解就可以了

5.3 execve

其实在程序替换中，操作系统只提供了这一个接口，这个才是真正的系统调用接口。前面讲的函数是系统提供了基础封装(C语言做的封装)，从而用来满足上层的不同的调用场景，上面的函数接受的数据经过整合后再传给execve函数
execve没有带p，所以需要带全路径

六、自己实现一个简易的shell程序

shell执行的命令通常有两种
1.第三方提供的对应的在磁盘中有具体二进制文件的可执行程序(由子进程执行)
2.shell内部，自己实现的方法，由自己(父进程)来执行(shell代表的是用户)
有些命令就是要影响shell本身，比如cd，export
我们在自己写shell的时候需要创建子进程去完成命令，为什么呢?
因为我们执行的一些命令可能会出现一些错误，子进程执行的话只会影响子进程的运行，不会影响到父进程。

6.1 函数介绍

fgets函数介绍

strtok函数介绍

chdir函数介绍

父进程设置的环境变量，传递到子进程的模拟实现
我们在父进程可能会设置环境变量，环境变量是具有全局性的，所以我们设置的环境变量也是会传到子进程的，下面我们自己来模拟一下其过程

我们再写一个测试程序，看看子进程是否能得到我们在父进程设置的环境变量

运行我们自己写的shell，并设置环境变量，并且调用mytest程序

总结: 程序替换会替换代码和数据，但是与系统有关的数据比如环境变量，其相关的数据就不会被替换，同时也体现出来了环境变量具有全局属性，进程替换一定和应用场景有关，我们有时候必须让子进程执行新的程序
补充: shell的环境变量是从哪里来的?
环境变量是写在配置文件中的，shell启动的时候，通过读取配置文件获得的起始环境变量。
linux中的.bash_profile 、.bashrc 、/etc/bashrc等文件中就有环境变量的信息

6.2 myshell.c完整代码

总结

以上就是进程控制全部的内容了，可以看到其中涉及到的知识点还是非常的多的，有的也不是很好理解，所以我们要多去看，多去总结，同时自己也要将这些函数全都用一下，这样才可以加深印象，如果文章中有错误的话，希望大家评论指出，我后面一定会改正，最后，如果你感觉我的文章对你有用的话，就给波三连吧！！谢谢大家