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进程创建
进程终止
进程等待
进程替换
实现简单的mini-shell

一、进程创建

1.fork()函数

在linux中fork函数时非常重要的函数，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。

#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

fork()调用时，OS的内核操作

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

当一个进程调用fork以后，父子进程代码是共享的，而数据是发生了写时拷贝。

测试代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int g_val=100;int main()
{pid_t id=fork();if(id==0){//子进程int cnt=0;while(1){printf("I am child,pid:%d,ppid:%d,g_val:%d,&g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);cnt++;sleep(1);if(cnt==5){g_val=200;printf("child change g_val 100->200 sucess\n");}}}else //父进程{while(1){printf("I am father,pid:%d,ppid:%d,g_val,&g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);sleep(1);}}return 0;
}

从上图我们发现，当cnt==5时，父子进程间g_val的值不一样但是他们地址一样。

2.如何理解fork返回值

子进程返回0，
父进程返回的是子进程的pid

fork函数是一个系统调用函数，是由OS来进行调用，当发生fork时，在执行return语句时，子进程已经被创建成功了，此时父子进程都会执行return语句。

1.为什么子进程返回0，父进程返回子进程的pid？

首先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，对于父进程来说，父进程是不需要被标识的；而对于子进程来说，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相应的任务，父进程只有知道子进程的PID才能对该进程进行任务指派。

2.如何理解fork有两个返回值

父进程调用fork以后，为了创建子进程，fork函数内部会进行一系列操作，包括创建子进程的PCB结构，对子进程的mm_struct进行赋值，页表进行映射等，当子进程创建完毕后，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，此时子进程创建完毕。所以说在fork函数内部执行return语句之前子进程已经创建完毕。

3.如何理解if-else语句都被执行

首先呢，上述代码发生了写时拷贝，由于fork之后，父子间代码是共享的。父子进程是共同执行，而父子进程中的代码又是同一块物理空间中的代码，但是由于id值不相同，所以父子间会进入不同的条件判断中去。

3.深入理解写时拷贝

当子进程被创建时，父子进程间代码是具有共享性的，即它和父进程共用同一块物理内存空间，而当父进程或者子进程中需要修改某些数据时，才会将父进程中的数据拷贝一份，然后进行相关修改操作。这种需要进行数据修改时进行拷贝的技术就叫做写时拷贝技术。

1.为什么数据要进行写时拷贝？

由于进程具有一定的独立性。父子间进程不能相互影响。

2.为什么不在创建子进程就进行数据的拷贝？

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

3.为什么这里的代码不会进行写拷贝？

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。

4.fork常规用法

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。
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

5.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

二、进程终止

1.进程退出的三种场景：

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

2.进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：
1. 从main返回
2. 调用exit
3. _exit
异常退出：
ctrl + c，信号终止

查看Linux下进程所有退出码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{for(int i=0;i<150;i++)printf("错误码序号%d,错误信息:%s\n",i,strerror(i));return 0;
}

注意：我们可以发现Linux下一共有134个进程退出吗，而且每个退出码都有相应的错误信息。

同时我们可以利用echo $?指令来查看相应的进程退出码

3.exit和_exit的区别

_exit函数

#include <unistd.h>
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

说明：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 函数

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

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>int Add(int n)
{int sum=0;for(int i=1;i<=n;i++) sum+=i;return sum;
}int main()
{int ret=Add(100);if(ret==5050) return 0;else return 1;return 0;
}

上面程序是从1到100相加，如果结果是5050，则可以证明如果结果是正确的，那么返回0，不正确则返回1.注意：只有main函数中的return值才能作为进程的退出码，其他自己实现的函数中的return值不能作为进程退出码。如果我们想要在自己写的函数中退出并且还要有相应的进程退出码，那么就是调用exit或者是_exit函数。那么区别在哪里呢？接下来我将会详细分析。

代码1：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int Add(int n)
{int sum=0;for(int i=1;i<n;i++) sum+=i;if(sum==5050) exit(1);else exit(2);return sum;
}int main()
{int res=Add(100);printf("%d",res);return 0;
}

代码2：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int Add(int n)
{int sum=0;for(int i=1;i<n;i++) sum+=i;if(sum==5050) exit(1);else _exit(2);return sum;
}int main()
{int res=Add(100);printf("%d",res);return 0;
}

两个代码最后的结果相同截图：

我们可以发现代码1和代码2基本上都是相同的，最后进程退出码都是一样的，那么exit和_exit的区别是什么？

测试exit代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main()
{printf("hello world");sleep(1);exit(0);
}

测试_exit代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main()
{printf("hello world");sleep(1);_exit(0);
}

从上述两个比较中我们可以发现：

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

区别：_exit是系统调用接口函数，而exit是C语言库函数，，由于使用了_exit函数缓存区还没有来得及刷新出去进程就终止了。而exit函数需要将缓存区中数据刷新等操作，然后再调用系统调用函数_exit。

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。

4.进程异常退出

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。

三、进程等待

1.进程等待必要性

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。
另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的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。
最后，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。

2.进程等待的方法

通过是用man 2 wait来查看关于wait和waitpid函数的文档：

（如果是在vim在需要加上!）

1.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。

#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){//子进程int cnt = 5;while(cnt){printf("cnt: %d, 我是子进程, pid: %d, ppid : %d\n", cnt, getpid(), getppid());sleep(1);cnt--;}//直接终止了子进程exit(0);}else{//父进程printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(7);pid_t ret=wait(NULL);//阻塞式地等待if(ret > 0){printf("等待子进程成功, ret: %d",ret);sleep(1);}printf("father is running...");}return 0;
}

循环监控进程方式：

while :; do ps ajx | head -1 &&ps ajx| grep myproc|grep -v grep; sleep 1;echo "-------------------------"; done

由上图我们可以发现子进程跑5秒，父进程跑7秒，大概有两秒钟的时间内，子进程处于僵尸状态。由于父进程一直在等待子进程结束然后回收子进程，在这等待的期间，父进程一直处于等待的状态，什么任务都不做，该过程称为阻塞等待。

2.waitpid()方法

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。（默认是0，表示阻塞等待）

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。

#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){//子进程int cnt = 5;while(cnt){printf("cnt: %d, 我是子进程, pid: %d, ppid : %d\n", cnt, getpid(), getppid());sleep(1);cnt--;}//直接终止了子进程exit(1);}else{//父进程printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(7);int status=0;pid_t ret=waitpid(id,&status,0);//阻塞等待if(ret > 0){printf("等待子进程成功, ret: %d\n",ret);printf("status:%d\n",status);sleep(1);}printf("father is running...");}return 0;
}

根据上图，我们可以发现一个现象，status表示的不是退出码，那status到底是什么？

通过分析status了解到是用来保存进程退出时的状态。

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）：

验证status代码：

#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){//子进程int cnt = 5;while(cnt){printf("cnt: %d, 我是子进程, pid: %d, ppid : %d\n", cnt, getpid(), getppid());sleep(1);cnt--;}//直接终止了子进程exit(100);}else{//父进程printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(7);int status=0;pid_t ret=waitpid(id,&status,0);//阻塞等待if(ret > 0){printf("等待子进程成功, ret: %d\n",ret);printf("status:%d\n",(status>>8)&0xff);sleep(1);}printf("father is running...");}return 0;
}

此时我们发现获取到了子进程的退出码。那么信号呢？

查看所有信号的方式:kill -l

注意：这里也可以使用其他信号来终止该进程。如果一个进程异常退出的话，那么该进程的退出码没有任何意义！

3.阻塞等待与非阻塞等待

阻塞等待：顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回。
非阻塞等待：就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相同，若事件没有发生则持续返回一个值来告知事件未发生，进程或线程继续执行，直到事件发生才为最后一次返回。

进一步来说：阻塞等待就是父进程一直等子进程，父进程不做任何事情。而非阻塞等待就是父进程在等待的同时也在做自己的事，在子进程退出后再去读取子进程的退出信息。

进程的阻塞等待方式：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t 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(257);} else{int status = 0;pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5Sprintf("this is test for wait\n");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;
}

由图可知：父进程一直等待着子进程退出，什么事情都不做。

进程的非阻塞等待方式：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t 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\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;
}

由图可知：子进程在做自己的事情时，父进程并不是刻意的去等待，而是父进程也在做自己的事情，它们之间只是互不影响，每个1s的时间进行检测。当子进程运行退出时，父进程获取到子进程的退出信息。这种检测方案叫做非阻塞接口的轮询检测方案！

四、进程替换

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。

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。

2.替换函数

1.execl/execv

execl需要将参数一个一个传入，而execv传入数组就行。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>#define NUM 16using namespace std;int main()
{pid_t id;id=fork();if(id==0){//子进程printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());sleep(3);char *const _argv[NUM]={(char*)"ls",(char*)"-a",NULL};execl("/user/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);//execv("/user/bin/ls",_argv);exit(1);}else{//父进程printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());int status=0;pid_t id= waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待if(id>0){//打印退出码printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

2.execlp

如果想要执行一个程序，必须先找到程序！带路径，不带路径能找到程序吗？？

答案是使用PATH，所以我们上面的execlp中的p就是说明这个函数会自己在环境变量PATH中进行查找，你不用告诉我命令在哪里。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>#define NUM 16using namespace std;int main()
{pid_t id;id=fork();if(id==0){//子进程printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());sleep(3);char *const _argv[NUM]={(char*)"ls",(char*)"-a",NULL};execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);//execv("/user/bin/ls",_argv);exit(1);}else{//父进程printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());int status=0;pid_t id= waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待if(id>0){//打印退出码printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

3.execle

这里的l代表的就是将参数一个一个传递进去，e代表的就是环境变量（这个参数会自己维护环境变量），这个函数没有带p，就说明这个函数在运行的时候需要带全路径。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>#define NUM 16using namespace std;const  char*myfile="./pro";int main()
{pid_t id=fork();char* const_env[NUM]={(char*)"MY_val=1234567",NULL};if(id==0){//子进程printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());sleep(3);char *const _argv[NUM]={(char*)"ls",(char*)"-a",NULL};execle(myfile,"pro",NULL,const_env);exit(1);}else{//父进程printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());int status=0;pid_t id= waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待if(id>0){//打印退出码printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

4.

5.

五、实现简单的mini-shell

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束。

然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序并等待这个进程结束。

所以要写一个shell，需要循环以下过程:

1. 获取命令行
2. 解析命令行
3. 建立一个子进程（fork）
4. 替换子进程（execvp）

5. 父进程等待子进程退出（wait）

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>#define NUM 1024
#define SIZE 32
#define SEP " "char cmd_line[NUM];
char* g_argv[SIZE];int main()
{while(1){printf("[root@localhost myshell]# ");fflush(stdout);memset(cmd_line,'\0',sizeof cmd_line);//首先初始化命令行//读入命令行if(fgets(cmd_line,sizeof cmd_line,stdin)==NULL) continue;cmd_line[strlen(cmd_line)-1]='\0';//对命令行进行解析，使用strtokg_argv[0]=strtok(cmd_line,SEP);int index=1;//添加颜色特殊处理if(strcmp(g_argv[0],"ls")==0) g_argv[index++]="--color=auto";//对于ls的别名特殊处理if(strcmp(g_argv[0],"ll")==0) {g_argv[0]="ls";g_argv[index++]="-l";g_argv[index++]="--color=auto";}//这里如果还需要再次解析命令行字符串，那么只需要传NULL即可while(g_argv[index++]=strtok(NULL,SEP));if(strcmp(g_argv[0],"cd")==0) {if(g_argv[1]!=NULL) chdir(g_argv[1]);continue;}pid_t id=fork();if(id==0){printf("下面功能让子进程进行的是:\n");execvp(g_argv[0],g_argv);exit(1);}int status=0;pid_t ret=waitpid(id,&status,0);//父进程等待子进程if(ret>0) printf("exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}return 0;
}