BSP Day50

今天我们继续学习昨天没有学习完的进程的相关知识。

进程共享

父子进程之间在fork后。有哪些相同，哪些相异之处呢？

父子相同处:

全局变量、.data、.text、栈、堆、环境变量、用户ID、宿主目录、进程工作目录、信号处理方式…

父子不同处:

1. 进程ID

2. fork返回值

3. 父进程ID

4. 进程运行时间

5. 闹钟(定时器)

6. 未决信号集

似乎，子进程复制了父进程0-3G用户空间内容，以及父进程的PCB，但pid不同。

父子进程间遵循读时共享写时复制的原则。这样设计，无论子进程执行父进程的逻辑还是执行自己

的逻辑都能节省内存开销。

接下来用一个程序来测试下，父子进程是否共享全局变量。

#include
#include
#include
 
int var = 100;
 
int main()
{
    printf("init var = %d\n",var);
    pid_t pid = fork();
    if(pid<0)
        {
            perror("pid error");
            exit(1);
        }
    else if(pid>0)
        {
            var = 120;
            printf("parent,var = %d\n",var);
            printf("I' am parent pid = %d,getppid = %d\n",getpid(),getppid());
 
        }
   else if(pid == 0)
        {
            var = 140;
            printf("child,var = %d\n",var);
            printf("I' am child pid = %d,getppid = %d\n",getpid(),getppid());
 
        }
    printf("------finish----------\n");
 
 return 0;
}

结论：

【注】：父子进程不共享全局变量。

【注】：父子进程共享。

1. 文件描述符(打开文件的结构体)
2. mmap建立的映射区

特别的，fork之后父进程先执行还是子进程先执行不确定，取决于内核所使用的调度算法。

fork生成的子进程和父进程的功能一样，如果想让fork生成的子进程的功能不一样，即拥有与父进程不一样的代码段数据段以及堆栈段，应该怎么办呢？

使用exec函数系列。

fork函数是用于创建一个子进程，该子进程几乎是父进程的副本，而有时我们希望子进程去执行另外的程序，exec函数族就提供了一个在进程中启动另一个程序执行的方法。

exec替换进程映像：

在进程的创建上Unix采用了一个独特的方法，它将进程创建与加载一个新进程映象分离。这样的好处是有更多的余地对两种操作进行管理。

当我们创建了一个进程之后，通常将子进程替换成新的进程映象，这可以用exec系列的函数来进行。当然，exec系列的函数也可以将当前进程替换掉。

例如：在shell命令行执行ps命令，实际上是shell进程调用fork复制一个新的子进程，在利用exec系统调用将新产生的子进程完全替换成ps进程。

exec系列函数（execl，execlp，execle，execv，execvp）

包含头文件

功能：

 用exec函数可以把当前进程替换为一个新进程，且新进程与原进程有相同的PID。exec名下是由多个关联函数组成的一个完整系列。

头文件

extern char **environ;

原型：

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参数表示你要启动程序的名称包括路径名

arg参数表示启动程序所带的参数，一般第一个参数为要执行命令名，不是带路径且arg必须以NULL结束

返回值:成功返回0,失败返回-1

注：上述exec系列函数底层都是通过execve系统调用实现：

       #include

       int execve(const char *filename, char *const argv[],char *const envp[]);

DESCRIPTION：
       execve() executes the program pointed to by filename.  filename must be
       either a binary executable, or a script starting with  a  line  of  the form

若参数file文件名：包含/视为路径名，否则按PATH环境变量去指定各目录搜寻文件
  函数名的解读：
    （1）l 表示参数以列表(list)方式提供。
    （2）v 表示参数以数组[向量(vector)]方式提供。
    （3）p 表示用户在PATH环境变量中寻找可执行文件。
(只需简单提供文件名，主要用于shell，因为shell所指向进程通常会从shell继承环境变量)
    （4）e 表示会提供给新进程以新的环境变量。
  exec系列函数没有一个同时可搜索路径和使用新环境变量的函数。
  exec系列函数成功调用不仅改变地址空间与进程映像，
  还改变进程的一些属性：
    1.任何挂起的信号都会丢失。
    2.捕捉的任何信号会还原为缺省的处理方式，因为信号处理函数已经不存在于地址空间中了。
    3.任何内存的锁定会丢失。
    4.多数线程的属性会还原到缺省值。
    5.多数关于进程的统计信息会复位。
    6.与进程内存相关的任何数据都会丢失，包括映射的文件。
    7.包括c语言库的一些特性(例如aexit())等独立存在于用户空间的数据都会丢失。
  未改变的进程属性例如 pid、父进程的pid、优先级、所属的用户和组。

实例：

#include  
#include  
#include 
 
int main (int argc,char *argv[])  
{  
    int ret = 0;                                //返回值
    printf("Executing ls\n"); 
 
    /**
     *          调用execl函数
     *  参数1：带路径文件名
     *  参数2：文件名
     *  最后参数：NULL 
     */
    ret = execl("/bin/ls","ls","-l",NULL);
 
 
    /**
     *  若execl()函数有返回，说明调用失败 
     */
    if(ret == -1){
        perror("execl failed to run ls");
    }
    
    exit(1);                                    //退出
} 

编译及运行结果：

1.编译gcc execl.c -o execl
2.运行:./execl
3.结果： 

-rwxrwxr-x 1 hhb hhb 16232 11月 7 14:47 fork

-rw-rw-r-- 1 hhb hhb 563 11月 7 14:47 fork.c

结论：

execl()调用后紧跟着 perror()的无条件调用。这是因为若调用程序还存在且 execl()调用返回，那么肯定是 execl()调用出错了。
只要 execl()和其它exec 调用成功，就肯定清除了调用程序而代之以新的程序。 

execv函数实例：

#include  
#include  
#include 
 
int main (int argc,char *argv[])  
{  
    char* av[] = {"ls","-1",NULL};
    execv("/bin/ls",av);
    perror("execl failed");
    exit(1);
} 

 编译及运行结果：

1.编译gcc execv.c -o execv
2.运行:./execv
3.结果： 

-rwxrwxr-x 1 hhb hhb 16232 11月 7 14:47 fork

-rw-rw-r-- 1 hhb hhb 563 11月 7 14:47 fork.c

execlp()和 execvp()（p表示用户在PATH环境变量中寻找可执行文件）
execlp()和 execvp()分别类似于系统调用 execl()和 execv()，主要区别是：
函数名后多了一个p，多用于shell，因为shell所执行进程通常会从shell继承环境变量，表示：
第一个参数指向的是文件名（不包含路径）。
可通过检索 shell 环境变量 PATH指出的目录，来得到该文件名的路径前缀部分。如可在 shell 中用下述命令序列来设置环境变量 PATH：

$PATH=/bin;/usr/bin;/sbin

$export PATH

即： execlp()和 execvp()执行时：先在目录/bin,然后在目录/usr/bin，最后在目录/sbin 中搜索程序文件。另外， execlp()和 execvp()还可以用于运行 shell 程序，而不只是普通的程序。 

execvp函数实例

#include  
#include  
#include 
 
int main (int argc,char *argv[])  
{  
    int ret = 0;                                //返回值
    
    /**
     *          调用execvp函数
     *  参数1：可执行文件名
     *  参数2：参数
     *  最后参数：NULL 
     */
    char *const args[] = {"vi","./data.txt",NULL};
    ret = execvp("vi",args);
 
    /**
     *  若execvp()函数有返回，说明调用失败 
     */
    if(ret == -1){
        perror("execvp");
    }
    
    exit(1);                                    //退出
} 

execle()和 execve()（e表示会提供给新进程以新的环境变量）

execle()和 execve()分别类似于系统调用 execl()和 execv()，主要区别是：
函数名后多了一个e。

实例：

#include  
#include  
#include  
 
int main (int argc,char *argv[])  
{  
    char *args[] = {"/bin/ls",NULL};
 
    printf("PID = %d\n",getpid());
    if(execve("/bin/ls",args,NULL) < 0)
    {
        perror("execve");
    }
    
    exit(1);                                   
} 

错误的返回值：

回收子进程

孤儿进程
孤儿进程: 父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，子进程的父进程成为init进程，称为init进程领养孤儿进程。

僵尸进程
僵尸进程: 进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程。

【注意】：僵尸进程是不能使用kill命令清除掉的。因为kill命令只是用来终止进程的，而僵尸进程已经终止。

清除掉僵尸进程的方法：

1. wait();
2. waitpid();
3. 杀死其父进程 kill -9 ppid，使其变成孤儿进程， init进程回收

wait函数 

一个进程在终止时会关闭所有文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但它的PCB还保留着，内核在其中保存了一些信息：
如果是正常终止则保存着退出状态
如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。
这个进程的父进程可以调用wait或waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。我们知道一个进程的退出状态可以在Shell中用特殊变量$?查看，因为Shell是它的父进程，当它终止时Shell调用wait或waitpid得到它的退出状态同时彻底清除掉这个进程。

父进程调用wait函数可以回收子进程终止信息。该函数有三个功能：
① 阻塞等待子进程退出
② 回收子进程残留资源
③ 获取子进程结束状态(退出原因)。

pid_t wait(int *status);

成功：清理掉的子进程`ID`；失败：`-1` (没有子进程)

当进程终止时，操作系统的隐式回收机制会：
1.关闭所有文件描述符
2. 释放用户空间分配的内存。内核的PCB仍存在。其中保存该进程的退出状态。(正常终止→退出值；异常终止→终止信号)
可使用wait函数传出参数status来保存进程的退出状态。借助宏函数来进一步判断进程终止的具体原因。宏函数可分为如下三组：

1. WIFEXITED(status) 为非0    → 进程正常结束
    WEXITSTATUS(status) 如上宏为真，使用此宏 → 获取进程退出状态 (exit的参数)
2. WIFSIGNALED(status) 为非0 → 进程异常终止
    WTERMSIG(status) 如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程终止的那个信号的编号。
3. WIFSTOPPED(status) 为非0 → 进程处于暂停状态
    WSTOPSIG(status) 如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程暂停的那个信号的编号。
    WIFCONTINUED(status) 为真 → 进程暂停后已经继续运行

waitpid函数

作用同wait，但可指定pid进程清理，可以不阻塞。

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, in options);    
成功：返回清理掉的子进程`ID`；
失败：-1(无子进程)
特殊参数和返回情况：
参数`pid`： 
> 0 回收指定`ID`的子进程    
 -1 回收任意子进程（相当于`wait`）
  0 回收和当前调用`waitpid`一个组的所有子进程
<-1 回收指定进程组内的任意子进程
返回0：参3为`WNOHANG`，且子进程正在运行。

注意：一次`wait`或`waitpid`调用只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环。    

 今天就学到这儿了，明天接着分享。