Linux操作系统之进程控制

进程创建

我们创建一个进程的时候是使用系统调用接口：

#include 
pid_t fork(void); 
// 返回值，子进程中返回0，父进程返回子进程的id，出错返回-1

当进程调用fork()之后，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

• 分配新的内存块儿和内核数据结构给子进程
• 将父进程部分数据结构拷贝至子进程
• 添加子进程到系统进程列表当中
• fork返回，开始调度器调度

我们在之前就已经说过了，一开始父进程和子进程指向的其实都是同一份空间。

 此时，我们把页表项100这个部分改成非只读，这个时候我们就会发生缺页中断：

缺页中断：进程往一个不可写的内存写入了，操作系统就会把进程中断，例如上面的图片，我本来是只读的，我把它改成可读可写了，这个时候映射关系就会出现问题了，操作系统这个时候检测到了之后就会把进程停止，发生缺页中断，然后修改页表和对应关系，这个时候我的子进程被中断了，不知道发生了什么，这是分离现象。修改完之后写时拷贝，物理内存分开。

 因此，进程创建从时间和空间上的成本都非常高。

进程终止

进程退出的时候会发生三种情况：

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果不正确
• 代码异常终止

我们知道当程序结束的时候，我们可以使用return，但是有的同学可能知道，exit(EXIT_SUCCESS)也可以完成进程退出操作，那么这两者有什么不同呢？

exit终止进程，强制终止进程，不需要进行进程的后序收尾工作，例如刷新缓冲区，而return可以进行后序的收尾工作。

 进程退出的时候，系统层面少了一个进程，free PCB，free mm_struct, free页表和各种映射关系，代码和数据申请的空间也要全部去掉。

进程控制

wait方法

函数原型：pid_t wait(int* status);

作用：等待任意子进程。

返回值：等待成功返回被等待进程的pid，等待失败返回-1。

参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。

waitpid方法

函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int options);

作用：等待指定子进程或任意子进程。

返回值：
1、等待成功返回被等待进程的pid。
2、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。
3、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。

参数：
1、pid：待等待子进程的pid，若设置为-1，则等待任意子进程。
2、status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为NULL。
3、options：当设置为WNOHANG时，若等待的子进程没有结束，则waitpid函数直接返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的pid。

 我们的父进程fork之后可以得到子进程，子进程存在的目的是帮助父进程完成某种任务，于是我们的父进程在程序的结尾需要wait子进程，以保证子进程一定在父进程之后退出，为什么要这么做呢？

理由其实很简单：

1. 通过获取子进程退出的信息，能够得知子进程执行结果。假如说我和我爸去买酱油，我爸必须要等我买完了看我到底买完了没。
2. 可以保证时序问题，子进程先退出，父进程后退出。
3. 进程退出的时候会先进入僵尸状态，会造成内存泄漏的问题。需要通过父进程wait，释放该子进程占用的资源！！！

获取子进程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比特

  这个core dump一般是0

我们通过一系列位操作，就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码(1111 1111)
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号(0111 1111)

对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。

• WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。
• WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。

exitNormal = WIFEXITED(status);  //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  //获取退出码

需要注意的是，当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。

阻塞等待和非阻塞等待

举一个现实生活中的例子。假如说我要找张三借复习资料，但是张三说，我现在在看书，等我30分钟。那么我这个时候给张三打了一个电话，并且没有挂断电话，等张三下楼之前我都不会挂断电话，也就是说我电话功能全部被封死了，一直在通话中。这个叫阻塞等待

但是假如我每过两分钟给张三打一个电话的话，每次打电话都确认他是否可以下来了，那么这个时候我的电话就有被闲置的时间让我完成其他的任务，这个叫基于非阻塞等待的轮询方案。

不管是阻塞还是非阻塞，都是等待的一种方式。谁等？？等谁？？等什么？？

等子进程。子进程退出是一个条件or事件。

阻塞了是不是意味了父进程不被执行了或者不被调度执行了呢？？

父进程如果在阻塞状态等子进程的话，那么它就是在纯等，什么都不会干。父进程本来是R(运行状态的)就会被成为S(等待状态)，被加入到等待队列里面去。等子进程搞完之后发现父进程在等待，那么就再把等待队列里面的父进程放过来变成R。

阻塞的本质就是把进程的PCB被放入了等待队列，并将进程的状态改为S状态。返回的本质，进程的PCB从等待队列拿到R队列，从而被CPU调度。

非阻塞等待的代码：

#include  
#include 
#include 
#include 
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;
}

我们可以看到有一个WNHOANG,加上这个，我们就可以实现非阻塞的等待了。

进程替换

用fork创建子进程后，子进程执行的是和父进程相同的程序（但有可能执行不同的代码分支），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种exec函数。

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，并从新程序的启动例程开始执行。

当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？

进程程序替换之后，该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。

子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？

子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。

也就是说进程替换就是用一个老的进程的壳子去执行一个新的代码，没用创建新的进程就执行了代码。

它的本质是：把指定的进程代码 + 数据，加载进特定进程的上下文中去。
exec函数实际上起到了加载器的作用，通过程序替换的方式来把磁盘上的东西加载到内存。