【linux】进程控制详述

一、进程创建

1.1 fork 的补充

在上一篇的进程概念讲解中，我们讲解了fork的函数的基础知识进程概念详述，就不再过多赘述。这里需要补充一个细节：进程并不是fork之后创建的，而是在fork函数内部就已经创建好了。

1.2 写时拷贝

进程具有独立性，当一个进程的数据发生修改，为了不让另一个进程也被改变，所以会拷贝一份数据再修改。
好处：提高效率（不修改就共享）

1.3 fork 的使用场景

我们为什么需要创建子进程呢？有以下两种情况：

1️⃣ 父进程需要子进程复制自己，来执行不同的代码段。
2️⃣ 父进程想让子进程执行不同的程序（后面讲的进程替换）

二、进程终止

2.1 退出码

我们在写C/C++程序的时候，在结尾总是会return 0，他其实是一个进程退出码。作用：标定进程结束时程序是否正确。

获取最近一个执行完毕进程的退出码：
echo $?
我们用0表示成功，非0表示失败。而非0的不同数字表示不同的错误。

但是数字对于我们人类很难看懂，所以每个退出码都会有对应的文字描述。
退出码转换文字描述：
strerror
一部分展示：

2.2 退出情况

当一个进程退出后，只会有三种情况：

2.3 退出方式

进程退出有三种方式：

1️⃣ 在main函数return
2️⃣ 任意地方调用exit
3️⃣ 任意地方调用_exit

exit和_exit的区别

首先exit是库函数，_exit是系统调用。所以其实 exit 的底层是 _exit 函数，exit 是 _exit 的封装。
当我们要输出一句话的时候（不带’\0’，数据还在缓冲区），此时使用exit后主动刷新缓冲区(数据会被打印出来)，但是使用_exit数据并不会被打印出来。

三、进程等待

3.1 进程等待的原因

我们创建子进程是为了让它帮助父进程做某些事，所以父进程需要它的执行结果，所以在子进程退出的时候，会变成僵尸进程，把退出结果写入PCB中，父进程来回收以便获得结果（退出状态）。
但是我们在前面讲过父子进程执行的先后顺序并不确定，所以有可能父进程先退出，造成内存泄漏，所以我们需要进程等待。

3.2 进程等待的方法

我们一般就是用这两个函数实现进程等待。
参数说明：

返回值：成功返回子进程id，失败返回-1；如果options为WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；
status：输出型参数，获取子进程退出状态。
pid_t：要等待进程的id，如果传>0的数字就表示要等待的进程，如果是-1，则表示等待随机一个进程。
options：指定父进程等待方式，有阻塞式等待和非阻塞式等待。

演示一下：

我们可以看到status并不是我们预想的数字100，那么是什么原因呢？

3.2.1 status 位图结构

我们知道一个int类型有32个比特位，而我们的status的高16位我们是不使用的，所以我们只看低16位的情况。

查看进程退出信号：
kill -l

所以上面我们想要获取退出状态我们需要让(status >> 8) & 0xff才可以获得我们想要我们想要的数字。

通过这样我们就知道以后使用waitpid应该这么用：

printf("exit signal:%d,  exit code:%d \n", (status & 0x7f), (status >> 8 & 0xff)); 
1

而linux给我们提供了两个宏函数，不用我们自己进行位操作。

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）

用法：

3.2.2 阻塞等待和非阻塞等待

阻塞和非阻塞是由第三个参数options决定的，0代表阻塞式等待，options 为 WNOHANG 代表非阻塞式等待，他们的区别：

阻塞等待： 当子进程没有退出的时候，父进程"什么都不干"，专门等待该进程。直到子进程退出，才能执行后面的语句。
非阻塞等待： 每隔一段时间访问一次，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，采取的是轮询等待方式。

上面写的代码都是阻塞等待，下面展示一个非阻塞等待的程序：

四、进程程序替换

我们在上面fork处说了fork有两种使用场景，前面我们用的都是第一种，现在来说说第二种（父进程想让子进程执行不同的程序）：

4.1 程序替换的原理

进程程序替换是指父进程用 fork 创建子进程后，子进程通过调用 exec 系列函数来执行另一个程序，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换（覆盖自己的代码和数据），但是不会创建新的进程，是用原来的进程执行新的程序。

看一下被覆盖是什么意思：

可以看到execl函数后面的语句"消失不见了"，execl就是程序替换函数，execl执行完后，代码全部被覆盖，开始执行新程序的代码了，所以最后一个printf无法执行。

4.2 程序替换函数

linux提供了一系列exec函数，有六个库函数和一个系统调用。


由此看出六个库函数接口就是execve的封装。所以我们就学习一下六个系统调用。

返回值：

可以看到，成功不再返回，失败则返回-1。（成功了后面的代码都被替换了，要返回值也没意义）。

4.2.1 函数名规律

我们发现这些函数前面都是exec，后面的几个字母都有各自的含义：

l (list)：表示参数采用列表。
v (vector)：表示参数采用数组。
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。

4.2.2 函数使用

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);(l + p)

int execv(const char *path, char *const argv[]);（v）

int execvp(const char *file, char *const argv[]); (v + p)

int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
(l + e)

这里我们使用mytest程序调用mybin程序：

运行结果：

可以看到自定义的环境变量为NULL，因为没有设置，现在我们可以使用execle来传递环境变量：

如果我们想让系统提供的环境变量和自定义环境变量同时存在：
调用函数：

int putenv(char *string);
作用是把自定义变量导入到系统的环境变量中。

五、手写简易shell

在学习了上面的知识点后，我们就可以实现一个简易的shell命令行解释器。
而我们需要做哪些事情呢？

1.命令行提示符
2.解析输入的字符串（分开每个指令）
3.让子进程执行程序替换
4.父进程等待

代码如下：

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #define NUM 128
  #define NUM_A 64
  int main()
  {
      char command[NUM];
      while(1)
      {
          char* argv[NUM_A] = {NULL};
          command[0] = 0;
          printf("[who@myhostname  minishell]# ");
          fgets(command, NUM, stdin);
          command[strlen(command) - 1] = '\0';
          fflush(stdout);
          // 解析命令字符串
          const char* str = " ";
          argv[0] = strtok(command, str);
          int i = 1;
          while(argv[i] = strtok(NULL, str))
          {
              i++;
          }
          if(fork() == 0)// child
          {
              execvp(argv[0], argv);
              exit(-1);
              }
          waitpid(-1, NULL, 0);
      }
      return 0;
  }

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但是当我们cd之后使用pwd，路径却没有被改变。

思考一下就可以知道我们是让子进程执行的cd，父进程不会受影响。

那我们就可以使用内建命令：

内建命令：不需要让子进程执行，而是让shell自己执行的命令。

int chdir(const char *path);

所以我们只需要判断一下是不是cd即可：

if(argv[0] != NULL && strcmp(argv[0], "cd") == 0)                                                                                                                            
{                   
	if(argv[1] != NULL)
    {               
    	chdir(argv[1]);
        continue;            
    }               
} 
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cecho $? 也是个内建命令，因为是获取子进程的退出结果，经过上文的介绍，我们知道就是获取status的值，设置一个全局变量，来获取退出码。

完整代码如下：

  #include     
  #include     
  #include     
  #include     
  #include     
  #define NUM 128    
  #define NUM_A 64    
      
  int last_code = 0;    
      
  int main()    
  {    
      char command[NUM];    
      while(1)    
      {    
          char* argv[NUM_A] = {NULL};    
          command[0] = 0;    
          printf("[who@myhostname  minishell]# ");    
          fgets(command, NUM, stdin);    
          command[strlen(command) - 1] = '\0';    
          fflush(stdout);    
          // 解析命令字符串    
          const char* str = " ";    
          argv[0] = strtok(command, str);    
          int i = 1;    
          while(argv[i] = strtok(NULL, str))    
          {    
              i++;    
          }    
          if(argv[0] != NULL && strcmp(argv[0], "cd") == 0)    
          {    
              if(argv[1] != NULL)    
              {                                                                                                                                                                            
                  chdir(argv[1]);    
                  continue;                
              }    
          }    
          if(argv[0] != NULL && strcmp(argv[0], "echo") == 0)
                    {
              if(strcmp(argv[1], "$?") == 0)
              {
                  printf("%d\n", last_code);                                                                                                                                               
              }
          }
          if(fork() == 0)// child
          {
              execvp(argv[0], argv);
              exit(-1);
          }
          int status = 0;
          waitpid(-1, &status, 0);
          last_code = (status >> 8) & 0xff;
      }
      return 0;
  }
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