操作系统之进程控制

一、进程创建

1、进程

• 进程由内核数据结构和进程的代码和数据构成，内核数据结构由操作系统提供，进程的代码和数据一般从磁盘中加载，也就是程序加载之后的结果。
• 创建子进程时，代码一般是只能读取而不能被修改（写）的，所以父子进程可以共享代码；但数据可能会被修改，所以，会采用写时拷贝的方法，在修改的时候对父子进程的数据做分离操作。

2、fork函数

（1）概念

通过复制调用该函数的进程来创建新进程，新创建的流程称为调用该函数的进程的子进程，是调用该函数的进程的精确副本。

（2）创建进程执行到内核中的fork代码时，内核做的操作

• 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。
• 将子进程添加到系统进程列表当中。
• fork函数返回，调度器开始调度。

（3）返回值

• 如果创建进程成功，子进程将会返回0，而父进程返回的是子进程的pid。
• 如果创建进程失败，则在父进程中返回-1，不会创建子进程，并正确地设置errno。

3、常规用法

• 父进程通过复制自己来创建子进程，父子进程在同一份代码中，同时执行不同的代码段。
• 父进程通过复制自己来创建子进程，父进程正常执行后续代码，子进程执行另一个不同的程序。

4、代码

#include<stdio.h>                                                                                             
#include<unistd.h>
                      
int main()      
{   
   pid_t id = fork();
   if(id < 0)
   {                                                               
       perror("fork");
       return 1;
   }
   else if(id == 0)
   {
       printf("child, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
   }
   else
   {
       printf("father, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
       sleep(2);
   }
    return 0;
}  

5、执行结果

二、进程终止

1、进程的退出结果

• 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、常见退出方法

（1）正常终止

• main函数返回
• 调用exit函数
• 调用_exit函数

（2）异常退出

• 程序执行时输入ctrl + c
• 信号终止

3、exit和_exit函数

（1）函数

• status定义了进程的终止状态。

（2）区别

• _exit函数是系统调用，而exit函数是库函数，即exit函数会调用_exit函数，只不过exit函数在调用前会执行一些操作。

4、代码

int sum(int top)
{
    int sum = 0;
    int i = 1;
    for(i = 1;i <= top; ++i)
    {
        sum += i;
    }
    //exit(1);

    return sum;
}                                                                                                             

int main()
{
    printf("hello snowdragon1\n");
    printf("hello snowdragon1\n");
    printf("hello snowdragon1\n");

    int ret = sum(100);
    printf("%d\n", ret);
    
    printf("hello snowdragon2\n");
    printf("hello snowdragon3\n");
    printf("hello snowdragon4\n");
    
    exit(1);
                                                                                                              
    printf("hello snowdragon5\n");
    printf("hello snowdragon6\n");
    printf("hello snowdragon7\n");
    
    return 0;
}

5、运行结果

• 下方为删除sum函数中exit函数的注释后的运行结果

三、进程等待

1、作用

• 当子进程退出后，如果父进程不管它，就可能造成僵尸进程问题，进而造成内存泄漏。而进程一旦变成僵尸状态，我们就无法通过信号之类的方法去杀死它，因为无法杀死一个已经死去的进程。
• 我们需要知道父进程派给子进程的任务完成的怎样，而当父进程进行进程等待时，如果子进程正常退出，父进程就能得知该类信息，获取子进程的退出信息。
• 父进程可以通过进程等待的方式，回收子进程资源。

2、方法

（1）wait和waitpid

（2）参数和返回值

【1】pid

• 当pid为-1时，表示等待任意一个子进程。此时，当waitpid函数的options为0时，其与wait函数的作用相同。
• 当pid大于0时，表示等待进程id与pid相等的子进程。

【2】options

• 当options为0时，表示父进程阻塞等待子进程。父进程一般是在内核中阻塞，等待被唤醒。
• 当options为WNOHANG时，若pid指定的子进程没有结束（退出），则waitpid函数返回0，不予以等待。若pid指定的子进程正常结束，则返回该子进程的id。

【3】返回值

• 当正常返回时，返回收集到的子进程的进程id。
• 如果waitpid函数设置了选项options为WNOHANG，而调用中waitpid函数发现没有已退出的子进程可收集，则返回0。
• 如果调用时出错，则返回-1，这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在。

（3）status

【1】概念

status参数是一个输出型参数，由操作系统填充。如果传递给它的实参为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。

【2】分布

【3】两个宏

• WIFEXITED(status)：表示子进程返回的状态，若子进程为正常终止，则为真，否则为假。
• WEXITSTATUS(status)：若WIFEXITED非零（为真），则提取子进程的退出码。

3、代码

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id == 0)
    {
        int cnt = 5;
        while(cnt--)                                                                                          
        {
            printf("子进程%d, pid = %d, ppid = %d\n", cnt, getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {
        printf("父进程，pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
        int status = 0;
        waitpid(id, &status, 0);
        
        //printf("等待子进程成功：%d, 子进程退出信号编号：%d,子进程退出码： %d\n", id, status & 0x7f, (status >> 8) & 0xff);
        printf("等待子进程成功：%d, 子进程退出信号编号：%d,子进程退出码： %d\n", id, WIFEXITED(status), WEXITSTATUS(status));
    }

    return 0;
}

4、运行结果

5、使用wait和waitpid函数的原因

• 进程具有独立性，父子进程之间的数据会发生写时拷贝，如果采用全局变量之类的方法，父进程将无法拿到子进程的退出结果（status）。
• 僵尸进程至少会保留该进程的PCB信息，即task_struct里面会保留所属进程退出时的退出结果信息，而父进程调用wait和waitpid函数的本质是读取子进程的task_struct结构中两个保存退出信息的变量。
• 虽然进程具有独立性，而进程退出码是进程的数据。但是，wait和waitpid函数是系统调用。所以，父进程调用wait和waitpid函数后所进行的操作是由操作系统执行的。

四、进程程序替换

1、概念

• 程序替换是通过特定的接口，加载磁盘上的一个全新的程序（代码和数据）到调用进程的地址空间中。
• 进程将磁盘上新的程序加载到内存后，会和该进程的页表重新建立映射关系。

2、替换原理

• 用fork创建子进程后，子进程可以调用exec系列函数的一种以执行另一个程序。
• 当进程调用exec系列函数的一种时，该进程用户空间中的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系列函数并不会创建新的进程，所以进程在调用exec系列函数前后，该进程的id并不会改变。

3、exec系列函数

• 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，不会有返回值。
• 如果调用出错则返回-1，所以，exec系列函数只有调用出错时才会有返回值。
• 第二张的execve函数是系统调用。即第一张图片的六个函数最终都会调用execve函数。

4、代码

    1 #include<stdio.h>                                                                                           
    2 #include<unistd.h>
    3 #include<sys/types.h>
    4 #include<sys/wait.h>
    5 #include<stdlib.h>
    6 
    7 #define NUM 32
    8 #define SIZE 16
    9 
   10 int main()
   11 {
   12     char* _argv[NUM] = {
   13         (char*)"ls",
   14         (char*)"-l",
   15         (char*)"-a",
   16         NULL
   17     };
   18     char* const _envp[SIZE] = {              //_envp的元素是char*类型的，_envp可以加const修饰，也可以不加
   19         (char*) "snowdragon=writed 666", //字符串=前面不要加空格，否则它的名字就变了,即需要加空格才是变量名
   20         NULL
   21     };
   22     pid_t id = fork();
   23     if(id == 0)
   24     {
   25         //子进程
   26         printf("子进程，pid:%d\n", getpid());
   27         sleep(1);
   28 
   29         //_envp是用来存储环境变量的，而不是存储选项的。选项不要加-
   30         execle("./mycmd", "./mycmd", "a", NULL, _envp);
   31         //execlp("ls", "ls", "-l", "-a", NULL);
   32         //execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);
   33         //execv("/usr/bin/ls", _argv);
   34         //execvp("ls", _argv);
   35         exit(1);
   36     }
   37     else                                                                                                    
   38     {
   39         printf("父进程，pid:%d\n", getpid());
   40         int status = 0;
   41         pid_t res = waitpid(id, &status, 0);
   42         if(res > 0)
   43         {
   44             printf("等待子进程成功，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
   45         }                                                                                                   
   46     }
   47     return 0;
   48 }

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>                                                                                            
  3 #include<string.h>
  4 
  5 int main(int argc, char* argv[])        //argv是指针数组
  6 {
  7     if(argc != 2)
  8     {
  9         printf("%d\n", argc);
 10         printf("程序执行失败！\n");
 11         exit(1);
 12     }
 13 
 14     printf("snowdragon:%s\n", getenv("snowdragon"));        //环境变量名需要与传入的环境变量名相同才能获取到
 15 
 16     if(strcmp(argv[1], "a") == 0)       //需要用strcmp对两个值进行判断，而不能用==直接判断
 17     {
 18         printf("snowdragon receive a!\n");
 19     }
 20     else if(strcmp(argv[1], "b") == 0)
 21     {
 22         printf("snowdragon receive b!\n");
 23     }
 24     else if(strcmp(argv[1], "c") == 0)
 25     {
 26         printf("snowdragon receive c!\n");
 27     }
 28     else
 29     {
 30         printf("default\n");
 31     }
 32 
 33     return 0;
 34 }

5、运行结果

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