Linux下的进程控制

前面我说了进程的概念。既然学了概念，我们还要学会如何使用它。

1. 进程创建

1.1 fork函数初识

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。

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做了什么呢？
1.分配新的内存块和内核数据结构给子进程
2.将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
3.添加子进程到系统进程列表当中
4.fork返回，开始调度器调度

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。谁先执行完全由调度器决定。

在进程地址空间我们说过：进程具有独立性，代码和数据必须是独立的。数据独立是可以发生写时拷贝的。而代码是只读的。
下面，有一个问题：fork之后，是否只有fork后面的代码是被父子进程共享的呢？
一般情况下，fork之后父子共享所有的代码。后面会说一下特殊情况。在这里，我们要区分：子进程执行的后续代码!=共享的所有代码，只不过子进程只能从这里开始执行。
为什么呢？在CPU里有一个epi：程序计数器(PC指针)，它的工作是：保存当前正在执行指令的下一条指令。

像CPU是如何知道程序运行到哪里了，遇到循环函数时是如何执行的，都是通过修改epi来执行的。
当创建子进程时，epi是保存在父进程的上下文中。然后把epi拷贝给子进程，子进程便从该epi所指向的代码处开始执行了。
fork之后，操作系统做了什么？
我们知道：进程=内核的进程数据结构+进程的代码和数据
所以，操作系统创建子进程的内核数据结构(struct task_struct+struct mm_struct+页表)+代码继承父进程，数据以写时拷贝的方式，来进行共享或者独立。

1.2 写时拷贝

通常，父子代码共享，父子不写入时，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：

页表不仅仅有映射功能，还具有读写属性。当任意一方试图写入，页表就会改变读写属性，将只读改成正常。写时拷贝本身就是OS的内存管理模块完成的。

为什么要写时拷贝？创建子进程的时候，就把数据分开，不行吗？
1.父进程的数据，子进程不一定全用，即使使用，也不一定全部写入。这样就会有浪费空间的嫌疑。
2.最理想的情况：只有会被父子修改的数据，进行拷贝分离。不需要修改的共享即可。但是从技术角度难以实现。
3.如果fork的时候，就无脑拷贝数据给子进程，会增加fork的成本(内存和时间)。
最后，写时拷贝只会拷贝父子修改的，变相的就是拷贝数据的最小成本。同时只有真正在使用的时候，才给你，变相的提高内存的使用率。
所以，根据这些原因，最终采用了写时拷贝。

2. 进程终止

2.1 进程退出场景

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
下面，有些问题：在C/C++时，main函数是入口函数，我们为什么要写return 0？return 0给谁return？为什么是0，其它值呢？
当我们一个进程代码，我们需要知道结果是否正确。其实return 0里的0代表的意思就是成功，非0代表的就是失败。而失败了，我们就需要知道失败的原因。所以，非0标识不同的失败原因。这些数字也叫做进程退出码，表示进程的退出的信息，而这些退出信息是让父进程读取的。
举个例子：

然后我们来编译运行一下：可以通过 echo $? 查看最近一次执行完毕的进程退出码

我们可以看到打印的是123。

从这我们也可以看到，成功了退出码就为0，其它数字就代表失败。
一般来说，失败的非零值我们该如何设置呢？
是由我们自己来自定义的。

2.2 进程常见退出方法

1. 在main函数中return
2. 在自己的代码任意地点中，调用exit函数
3. _exit函数
第一点我们就不多说了，我们来说一下第二点：
我们先看一下exit函数：

它的作用就是进程退出。

我们运行一下：

可以看出进程的退出码是111，它在fun函数里直接退出了。这里exit(n)等同于执行return n
然后，我们再说一下第三点，我们来看一下_exit函数：

下面来说一下exit和_exit的区别：

运行结果：

我们再看一下_exit的情况：

运行结果如下：

什么都没有。这是因为：
exit终止程序，刷新缓冲区。
_exit直接终止进程，不会有任何刷新操作。
如下图所示：

那么关于终止，内核做了什么呢？
我们知道：进程=内核结构+进程代码和数据
首先，进程会进入Z状态，然后父进程等待子进程的结果信息。最后，把进程设为X状态，释放进程的内核结构和进程的代码和数据。
但是像进程的内核结构(task_struct&&mm_struct)，操作系统可能并不会释放该进程的内存结构。它会把这个结构保留下来，在某一个地方进行管理。当下次再创建这个进程时，就不需要重新开辟空间了。这样效率就会提高。这个被叫做内核的数据结构缓冲池，slab分派器。

3. 进程等待

3.1 进程等待必要性

第一个原因：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。进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，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，进而造成内存泄漏。

第二个原因：父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。

3.2 进程等待的方法

wait方法和waitpid方法都是系统调用，下面就来简单介绍一下：

3.2.1 wait方法

下面教大家如何使用：

这里的意思是：父子进程一起运行，父进程先休息10秒，在这10秒内把子进程杀死，此时可以看到子进程的状态是Z。当10秒后，子进程被父进程回收，监控就看不见子进程了。

然后再创建一个脚本监控：

每隔1秒监控一下数据，用分割符分开。
看下面的运行结果：

我们杀死之后，用ret接受成功了。

从这里也可以看出子进程从S状态变成Z状态。

然后等待成功后，子进程终止(X状态看不到)。

3.2.2 waitpid方法

参数：返回值
>0，等待子进程成功，返回值是子进程的进程pid
=-1，等待失败

参数：pid
Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效
Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程

3.2.2.1 status参数讲解

参数：status
是一个输出型参数。输出型参数通过调用该函数，从函数内部拿出特定的数据。
那么到底是拿什么呢？怎么拿的呢？

当子进程的代码执行到return或者exit时，子进程就退出了。然后子进程会将自己的退出信息写入自己的task_struct。子进程进入Z状态。

父进程会通过wait/waitpid函数从子进程的拿退出信息码，给输出型参数*status。如果子进程没有退出，那么父进程就是阻塞等待。
在进程终止有一个异常退出的情况没有细说，这个status也能获取信号
status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待(只研究该整数的低16个比特位)，具体细节如下图：

在正常终止的情况下，这个整数的次8位存储的是进程退出码。我们来验证一下：

这个程序的意思是：子进程运行5次后，就退出。然后父进程用status去接收子进程的进程退出码。先把得到的整数右移8位，然后按位与0xFF，得到的就是次8位。

从运行结果来看验证成功。在这里，我们用的是按位的方法来计算，在Linux中，其实已经有帮我们写好的宏。
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）

运行结果如下也是可以的。

然后status的最后7位代表的是终止信号。
终止信号的意思是：如果进程异常退出，是因为这个进程收到了特定的信号。
命令：kill -l的意思是查看全部信号

我们再举个例子来验证一下：

子进程是死循环，但里面使用了野指针。我们来看一下运行结果：

11是：SIGSEGV也就是段错误。为什么这里的退出码为0呢？因为一旦进程出现异常，只关心退出信号，退出码没有任何意义。

3.2.2.2 options参数讲解

参数：options
这个参数分为阻塞等待和非阻塞等待。
options=0，阻塞等待。在等待的时候，让它阻塞(软件阻塞)
当我们调用某些函数时，因为条件不就绪(可能是任意的软硬件条件)，需要我们阻塞等待(如果子进程没有结果，一直等待下去)。本质：就是当前进程自己变成阻塞状态，等条件就绪的时候，才被唤醒。

那么，父进程阻塞的一个具体过程就是：
父进程的task_struct状态由R变成S，从运行队列投入到等待队列，等待子进程退出。然后子进程退出，本质是条件就绪，OS就会把父进程从等待队列放到运行队列，然后父进程的状态由S变成R。

那么非阻塞状态又是什么呢？
非阻塞状态就是父进程等待子进程时，它可以先不着急一直等待下去，可以先做一些自己其它的事情，过一会来看子进程有没有结果。如果没有再去做自己的事情，然后再过来看看子进程情况。这样一次等待的过程就叫做非阻塞等待，那么多次调用非阻塞接口就叫做轮询检测。
options=WNOHANG，非阻塞等待。

那么waitpid真正的返回值：
当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID。
如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0。
如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在。

下面，我就写一个基于非阻塞等待的轮询检测方案：


然后我们来看一下运行结果：

这个过程就是非阻塞等待的轮询检测。如果我们想让父进程真正的做一些事情呢？

typedef有两种用法：
一、定义已有类型的别名
　　typedef 类型 定义名;
二、创建一个新的类型
typedef 返回值类型 新类型名(参数列表);
然后这个写的是什么意思呢？就是一个vector里面存了一些函数，然后父进程做其它事情时就去调用这些函数。因为我们用的是auto，所以编译的时候要加上-std=c++11。

我们现在运行一下：

这样父进程在非阻塞等待时，就去做它自己的事情了。