【Linux系统编程】第二十二弹---操作系统核心概念：进程创建与终止机制详解

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目录

1、进程创建

1.1、fork函数重识

1.2、fork函数返回值

1.3、写时拷贝

1.4、fork常规用法

1.5、fork调用失败的原因

 2、进程终止

2.1、进程退出场景

2.2、进程常见退出方法

1、进程创建

1.1、fork函数重识

进程 = 内核的相关管理数据结构(task_struct + mm_struct + 页表) + 数据和代码

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：子进程中返回0，父进程返回子进程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之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序：

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

int main( void )
{
  pid_t id;
  printf("Before: pid is %d\n", getpid());
  // id = fork 先创建进程并赋值，返回值为-1则创建失败，直接退出
  if ( (id=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);
  printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), id);
  sleep(1);
  return 0;
}

运行结果 

这里看到了三行输出，一行Before，两行After。进程6627(每次打印的pid都不同)先打印Before消息，然后它有打印After。另一个After消息有6628打印的。注意到进程6628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。

1.2、fork函数返回值

• 子进程返回0。
• 父进程返回的是子进程的pid。

为什么父进程返回的是子进程的pid，子进程返回的是0？

为了方便父进程对子进程进行标识，进而进行管理。

1.3、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各自一份副本。具体见下图:

1.4、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。

1.5、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

 
2、进程终止

进程终止是在做什么？

1、释放曾经的代码和数据所占据的空间。

2、释放内核数据结构。

2.1、进程退出场景

• 1、代码运行完毕，结果正确(可以通过进程的退出码决定)。
• 2、代码运行完毕，结果不正确(可以通过进程的退出码决定)。
• 3、代码异常终止。

异常：

程序运行的时候，崩溃了----操作系统发现你的进程做不了该做的事，OS杀掉了进程。一旦出现异常，退出码没有意义！！！

为什么出现异常？原因是什么？

进程出异常的本质是进程收到操作系统发给进程的信号！

我们可以看进程退出的时候，退出信号是多少，就能判断进程为什么异常了！！！

场景一：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    printf("I am a process,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
    return 0;
}

运行结果 

echo $? // 父进程bash获取到的最近一个子进程的退出码 

场景二： 

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    printf("I am a process,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
    return 100;// 返回100
}

运行结果 

场景三(main函数内部异常)：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    int* p = NULL;
    printf("I am a process,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
    *p = 100;// 对空指针进行解引用
    return 0;
}

 运行结果

 场景四(使用信号命令)：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    while(1)
    {
      printf("I am a process,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
      sleep(1);
    }
    return 0;
}

运行结果 

 从场景三和场景四看到，都是报的段错误，证明两个的退出信号是一样的。

退出码所代表的意思是什么呢？通过一个程序来看看。

 代码演示

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    for(int i=0;i<255;i++)
    {
        printf("%d :%s\n",i,strerror(i));// 打印退出码代表的意思
    }
    return 100;// 返回100
}

运行结果 

除了系统的退出码之外，我们能不能自己编写一套退出码呢？？？

 答案是可以的，下面我们通过一个除法函数来实现自己的退出码并打印错误信息。

代码演示一

#include<stdio.h>

int Div(int x,int y)
{
  if(y==0)
  {
   return -1;
  }
  else 
  {
    return x/y;
  }
}
int main()
{
  int result = Div(10,100);
  printf("result:%d [%s]\n",result);
  result = Div(10,0);
  printf("result:%d [%s]\n",result);
  return 0;
}

运行结果 

从运行结果我们可以看到0一定是正常的运行结果，但是-1不能确定是正常运行，还是y等于0的时候的结果，为了知道是什么原因，我们可以自主编写一个错误码，并将错误码打印出来，具体代码如下：

优化

#include<stdio.h>

// 枚举常量
enum 
{
  Sucess = 0,
  Div_zero,
  Mod_zero,
};
int exit_code = Sucess;

const char* CodeToErrString(int code)
{
  switch(code)
  {
    case Sucess:
      return "Sucess";
    case Div_zero:
      return "Div_zero";
    case Mod_zero:
      return "Mod_zero";
    default:
      return "Unkown error";
  }
}
int Div(int x,int y)
{
  if(y==0)
  {
   // y等于0则设置退出码
   exit_code = Div_zero;
   return -1;
  }
  else 
  {
    return x/y;
  }
}
int main()
{
  int result = Div(10,100);
  printf("result:%d [%s]\n",result,CodeToErrString(exit_code));
  result = Div(10,0);
  printf("result:%d [%s]\n",result,CodeToErrString(exit_code));
  return 0;
}

运行结果 

 通过运行结果我们可以清楚看到-1是除0错误。

结论：

衡量一个进程退出，我们只需要看两个数字：退出码和退出信号。

• 1、先确认是否异常。
• 2、不是异常，就一定是代码跑完了，看退出码即可。 

2.2、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. 调用_exit

异常退出：

• ctrl + c，信号终止

_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

代码演示一

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  printf("hello linux\n");
  _exit(-1);// 退出码为-1
  return 0;
}

运行结果 

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。 

代码演示二

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

void func()
{
  _exit(12);// 不在main函数内部，照样会结束程序
}
int main()
{
  printf("hello linux\n");
  func();
  return 0;
}

运行结果 

_exit函数可以从任意函数中结束程序。 

exit函数

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

_exit函数前面的两个演示与exit函数的效果是一样的，此处我们看看两者的区别。 

代码演示 

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
  printf("hello linux");
  sleep(2);
  exit(2);
  // _exit(2);
  return 0;
}

运行结果 

从上面的代码我们可以看到，exit函数会重刷缓冲区，_exit不会重刷缓冲区，具体细节如下图： 

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。

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。 

代码演示

#include<stdio.h>

int main()
{
  printf("hello linux\n");
  return 1;
}

运行结果