【Linux】进程创建/等待/替换相关知识详细梳理

1. 进程创建        

        1.1 fork函数

        概念：fork函数为系统调用接口，用于从已存在的进程中，创建一个新的进程。新进程为子进程，原来的进程为父进程。

        用法：

#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

        示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    if (ret < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if (ret == 0)
    { // child
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    else
    { // father
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

（其中getpid()这种获取进程信息的系统调用我在上一篇文章已经讲过） 

输出： 

 知道了用法，那么进程创建的原理是怎样的呢？

        应用场景：

        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（这样的好处是不会影响主进程）。

        调用失败原因：

        系统中有太多的进程。
        实际用户的进程数超过了限制。

2. 进程创建原理

进程调用fork，系统转而运行内核中的fork代码，内核将：
        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；

        需要注意的是，子进程会继承父进程的代码和数据，包括环境变量表，皆以写实拷贝的方式继承，一旦数据发生修改，系统就会给修改的进程分配新的空间，所以父子进程间是独立的。

        此外，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。（上面的示例程序已经冲分说明）。
        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，并且互不干扰。

        注意：fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

3. 进程等待 

        进程等待的就是进程的退出信息，所以在讲进程等待之前，我们先要了解进程退出的方式。

3.1 进程退出

        父进程等待的就是子进程的退出，同时子进程的退出分为以下几种情况：

        1.代码运行完毕，结果正确。
        2.代码运行完毕，结果不正确。
        3. 代码异常终止。 

        _exit函数：

        定义： _exit 是一个系统调用（在 POSIX 系统中），定义在 <unistd.h> 中，直接使程序立即终止。

        用法：

#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

#include <unistd.h>

int main() {
    printf("Program exiting with _exit.\n");
    _exit(0);
}

        注意： _exit不会执行任何清理工作，程序会直接退出。这意味着：

        已注册的 atexit() 清理函数不会被调用。

        标准 I/O 缓冲区不会被刷新，未写入的数据可能会丢失。

        打开的文件不会被正常关闭。

        使用场景：_exit 常用于子进程在 fork() 后立即退出的情况，避免执行父进程的缓冲刷新或文件关闭操作，从而防止副作用。

        exit函数：

        定义：exit 是标准库函数，定义在 <stdlib.h> 中，常用于正常终止程序。

        用法：

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

#include <stdlib.h>

int main() {
    printf("Program exiting with exit.\n");
    exit(0);
}

        exit 会在终止程序之前进行一系列清理工作，包括：

        调用已注册的清理函数：通过 atexit() 注册的清理函数会被调用。

         刷新缓冲区：标准I/O缓冲区（例如 stdout 和 stderr）会被刷新，确保输出流中的内容被写入到文件或终端。

         关闭打开的文件：所有已打开的文件会被关闭，以确保数据完整性。

        （实际上，最后exit也调用了_exit）

        使用场景：exit 适用于需要进行清理的正常退出场景，常用于程序的常规退出。

         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。

        3.2进程等待

        进程等待的必要性：

        之前讲过，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，那就没法“杀掉”了，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。
        综上所述：

        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。

        wait函数：

        定义：wait 是一个系统调用，定义在 <sys/wait.h> 中。其主要功能是让父进程等待任意一个子进程结束。

        用法：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {  // 子进程
        printf("Child process running\n");
        _exit(0);  // 子进程退出
    } else {  // 父进程
        int status;
        wait(&status);  // 等待任意一个子进程结束
        if (WIFEXITED(status)) { //宏，检查是否正常结束
            printf("Child exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }                                         //宏，获取进程退出码
    }

    return 0;
}

        功能：当调用 wait 时，父进程会暂停执行，直到一个子进程结束。wait 返回结束子进程的 PID，同时将子进程的退出状态存储在提供的指针参数中。

        限制：wait 只能等待任意一个子进程，不能指定具体的子进程。当有多个子进程时，wait 不保证等待的是哪个子进程。

       waitpid函数：

        用法：

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
/*参数：
    pid：要等待的子进程 PID。可以是具体的 PID，也可以是特定值（例如 -1 表示等待任意子进程）。
    status：指向一个 int 变量的指针，用于存储子进程的退出状态。
    options：控制等待行为的选项，如 WNOHANG（非阻塞等待）和 WUNTRACED（等待暂停的子进程）。
  返回值：
    成功时返回子进程的 PID，若使用 WNOHANG 且没有子进程退出，则返回 0；失败时返回 -1。
*/

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {  // 子进程
        printf("Child process running\n");
        _exit(0);  // 子进程退出
    } else {  // 父进程
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);  // 等待指定子进程结束
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("Child exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }

    return 0;
}

功能：waitpid 可以指定要等待的子进程的 PID，并提供了额外的选项来控制等待的行为：

        等待特定的子进程（通过指定 PID）。

        在非阻塞模式下工作（通过设置 WNOHANG 标志）。

 关于阻塞和非阻塞等待的区别：

        阻塞是等不到就一直等，啥也不做就等。

        而非阻塞等待就是运行到等待就等一下，如果子进程还没退出就返回0，再去干自己的事，等会再来等。

        阻塞等待代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);
        return 1;
    }
    else if (pid == 0)
    { // child
        printf("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5S
        printf("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;
}
/*运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.
*/

        非阻塞等待代码： 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);
        return 1;
    }
    else if (pid == 0)
    { // child
        printf("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;
}

 3.3 子进程返回值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特
位）：

        用程序来示例：

//测试代码：
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    if ( (pid=fork()) == -1 )
        perror("fork"),exit(1);
    if ( pid == 0 ){
        sleep(20);
    exit(10);
    } else {
        int st;
        int ret = wait(&st);
        if ( ret > 0 && ( st & 0X7F ) == 0 ){ // 正常退出
        printf("child exit code:%d\n", (st>>8)&0XFF);//获取退出码
        } else if( ret > 0 ) { // 异常退出
        printf("sig code : %d\n", st&0X7F );//获取退出信号
        }
    }
}
/*测试结果：
[root@localhost linux]# ./a.out #等20秒退出
child exit code:10
[root@localhost linux]# ./a.out #在其他终端kill掉
sig code : 9
*/

        其中， 移位和与操作也可换为宏，WIFEXITED和WEXITSTATUS：

        WIFEXITED（status）：用于检查子进程是否正常退出（即通过调用 exit，_exit 或 return 退出）。

         WIFEXITED(status) 会返回一个非零值（即 true），如果子进程是正常退出的；否则返回零（false）。

        WEXITSTATUS（status）：用于获取子进程的退出状态码（退出码通常是传递给 exit 或 return 的值）。

        WEXITSTATUS(status) 会提取子进程的退出码，但前提是 WIFEXITED(status) 返回 true。

4. 进程替换

         进程替换指的是使用一个新程序替换当前进程的执行内容。通常使用 exec 系列函数来实现这一功能，例如 execl、execv、execle、execve、execlp 和 execvp 等。

        进程替换的作用：

        进程替换允许在当前进程的地址空间中运行一个全新的程序，而不创建新进程。这在操作系统中有很多应用，例如当一个Shell解释器执行命令时，它会使用进程替换来执行新命令。

        exec系列函数：

#include <unistd.h>`
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
/*
参数：
    path:程序路径
    file:程序名
    arg，...:可变参数列表，分段传程序选项，以NULL结尾，例:"ls" ,"-l",NULL。
    argv[]:程序选项数组，例：char * const argv[] = {"ls","-l",NULL}
    envp:环境变量表。例：char * const envp[] = {"PATH=/bin", NULL}

        1. execl：传递可变数量的参数，最后一个参数必须为 NULL。

execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL);

        2. execv：传递参数数组。 

char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
execv("/bin/ls", args);

        3. execle：传递环境变量数组和可变数量的参数。 

char *env[] = {"PATH=/bin", NULL};
execle("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL, env);

         4. execve：传递参数数组和环境变量数组。

char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
char *env[] = {"PATH=/bin", NULL};
execve("/bin/ls", args, env);

        5. execlp 和 execvp：与 execl 和 execv 类似，但会在 PATH 环境变量中搜索可执行文件。

execlp("ls", "ls", "-l", (char *)NULL);
char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
execvp("ls", args);

         记忆方式：

        l(list) : 表示参数采用列表
        v(vector) : 参数用数组
        p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
        e(env) : 表示自己维护环境变量

5. 进程替换原理

        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。

综上：

• 进程替换是使用新程序覆盖当前进程的内存空间。
• exec 系列函数提供多种方法来执行新程序，不同函数的参数传递方式略有不同。
• 成功的进程替换会使当前进程执行新程序，替换后的进程继续使用当前的进程ID（PID），但代码、数据、堆栈都将被新程序所替代。