Linux进程控制

1. fork

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做 ：

• 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(运行队列)当中
• 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。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定 !

因为fork之前只有父进程，fork之后有两个进程！

那么fork之后是否只有fork之后的代码是被父子进程共享的？？

我们之前认识到进程具有独立性：代码和数据必须是独立的！我们针对数据给了写时拷贝的方案，代码是只读的，所以只能共享。

一般情况，fork之后父子共享所有的代码！！

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？

CPU有一个寄存器叫eip：程序计数器，保存当前正在执行指令的下一条指令！在某些教材也叫pc指针。eip程序计数器会拷贝给子进程，子进程便从该eip所指向的代码出开始执行啦！！

但是不代表子进程不能从头开始，子进程可以修改eip的值从main函数开始，就能从头开始执行代码！

2.fork之后OS做了什么？

进程 = 内核的进程数据结构 + 进程的代码和数据

通过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，来进程共享或者独立！！

3.写时拷贝

通常，父子代码共享，父子再不写入时，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

父进程创建子进程之后，父子都有虚拟地址空间和页表，只不过子进程的各种隐射关系全部继承自父进程，所以父子的代码是共享的！

但是页表里面还会包含读写属性的设置，写时拷贝的底层实现其实就是在创建子进程之后，把父子进程的页表隐射关系全部设置为只读的。

所以读取的时候就支持读，当你写入时(当然也会判断写入的内存区域是代码还是数据)。比如说子进程想写入一份数据，父进程没有写入，所以父进程不管，依旧指向自己的代码和数据。而子进程代码是共享的，所以和父进程指向的代码区域是一样的！因为子进程想写入数据，所以操作系统会把数据拷贝到另一个区域，在此区域修改！有一个细节页表数据的只读属性被去掉了变成了正常属性，最后操作系统再重新修复父子进程页表的映射关系！

写时拷贝本身就是由OS的内存管理模块完成的！所以我们平常感知不到！

4. 操作系统为什么要写时拷贝？

我们知道进程总要保持它的独立性，那么创建子进程的时候就把数据分开不行吗？

1. 父进程的数据，子进程不一定会用，即便使用，也不一定全部写入。—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，在子进程创建的时候就进行分离拷贝，不需要修改的共享即可 — 但是从技术角度实现复杂，即使是const也只能检查直接被修改的数据，有可能存在间接被修改的数据。fork的成本就太高了！
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(内存和时间上)。

所以最终采用写时拷贝：只会拷贝父子修改的，变相的，就是拷贝数据的最小成本，但是拷贝的成本依旧存在。但是写时拷贝是一种延迟拷贝策略！只有真正使用的时候才给你！你想要，但是不立马使用的空间，先不给你，那么也就意味着可以先给别人！

5.fork常规用法

• 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

6. fork调用失败的原因

• 系统中有太多的进程
• 实际用户的进程数超过了限制

7.进程终止

7.1 关于终止的正确认识

C/C++的时候，main是程序的入口函数，且通常最后我们都要写一句return 0.

1. return 0，给谁return？
2. 为什么是0？其他值可以吗？

常见进程退出：

1. 代码跑完，结果正确
2. 代码跑完，结果不正确
3. 代码没跑完，程序异常了

所以进程代码跑完，结果是否正确：

0：表示success，非0：表示失败。最想知道的是失败的原因！所以：非0标识不同的原因！return x其实是进程退出码！表征进程退出的信息，让父进程读取的，以便对处于僵尸态的子进程进行处理！

证明：

echo $?
1

这条命令表示在bash中最近一次执行完毕时对应进程的退出码！

假设我们自己的程序里返回123，第一次就是123，第二次是0的原因是echo本身这个程序执行成功了！

一般而言，失败的非零值我该如何设置呢？以及默认表达的含义？

非零值可以自定义，错误码/退出码可以对应不同的错误原因，方便定位问题！

7.2 关于终止的常见做法

1. 在main函数中return，为什么其他函数不行呢？
2. 在自己的任意代码任意地点中，调用exit()，括号里的就是退出码。
3. _exit()，它和exit()很像，其实就是exit()调用了_exit()。

exit和_exit的区别：
exit：一秒之后数据就被刷新出来了，因为我们打印的时候没有加\n，数据还在缓冲区。程序退出后数据才被刷新出来。

_exit:我们唯一做的就是把exit换成_exit.我们发现程序退出数据并没有被

刷新出来。

结论：

exit终止进程，刷新缓冲区

_exit直接终止进程，不会有任何刷新操作

7.3 关于终止，内核做了什么

进程 = 内核结构 + 进程代码 和 数据

当一个进程退出时会先进入僵尸态，然后父进程会去等待它，回收子进程信息，说白了就是读取子进程的退出码！然后再将子进程设置为x状态，就可以是否子进程的内核结构，释放加载到内存的进程代码和数据。

代码和数据必定会释放掉，内核结构(task_struct和mm_struct)操作系统可能不会释放。

我们知道创建对象要先开辟空间，再初始化。废弃的内核结构的数据已经被释放了，但是内核结构开辟的空间还在，当你再次创建进程时，会把相应的task_struct和mm_struct重新初始化，就节省了重新开辟空间的消耗！

内核的数据结构缓冲池，slab分派器。

8. 进程等待

8.1 为什么要等待？

• 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，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的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。
• 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

8.2 如何等待

父进程调用wait就可以了，一个简单的样例：

我们在40s内杀掉子进程，此时子进程就处于z状态，40s之后我们一旦等待成功了，子进程的z状态就没了。

下面我们再写一段监控命令行脚本：

while : ; do ps ajx | head -1 && ps ajx |grep mypro |grep -v 'grep\|worker\|master\|cache'; sleep 1; echo "################################################################"; done
1

运行结果：

现在我们知道了，我们可以通过wait()的方案解决回收子进程z状态，让子进程进入x

因为x太快了所以我们什么也看不到！

8.3 waitpid

#include 
#include 

pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int optinos);    
1
2
3
4
5

pid_t：

>0：等待子进程成功，返回值就是子进程的pid

<0：等待失败

pid：

>0：是几就等待几号子进程，指定等待

-1：等待任意进程

options：

0：阻塞等待

*int status是一个输出型参数，wait/waitpid()是系统调用！！！通过调用该函数从函数内部拿出特定的数据，这里的内部是指从task_struct中拿出子进程退出的退出码！！

8.4 int *status

int *status这个整数其实是被当作位图在用，我们只关心它的低16位。我们通过这个整数的次低8位就能拿到子进程的退出码。1-7比特位可以拿到程序异常退出的终止信号。

status:
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）

所以查看退出码还可以这样写：

if(WIFEXITEL(status))
{
    printf("子进程是正常退出的，退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
}
1
2
3
4

8.5 问题1

为什么不能定义一个全局变量code，子进程退出的时候就把code设置好特定的值，然后父进程回收的时候直接拿code的数据呢？

绝对不可以，因为会发生写时拷贝。

8.6 问题2

一个子进程既有退出码:0，又有退出信号：11.

那我先看谁？

常见进程退出：

1. 代码跑完，结果正确
2. 代码跑完，结果不正确
3. 代码没跑完，程序异常了

退出码对应的是前两种情况，退出信号是第3种情况！

程序正常跑完，只关心退出码。一旦进程出现异常，只关心退出信号，退出码没有任何意义！

9. 阻塞等待和非阻塞等待

如果子进程就是不退出(如死循环)，怎么办呢？我的父进程只能阻塞等待。

当我调用某些函数的时候，因为条件不就行，需要我们阻塞等待，本质：就是当前进程自己变成阻塞状态，等条件就绪的时候再被唤醒！

我们今天等待的资源就不是硬件了，而是软件。一个进程在等另一个进程！

3. 代码没跑完，程序异常了

退出码对应的是前两种情况，退出信号是第3种情况！

程序正常跑完，只关心退出码。一旦进程出现异常，只关心退出信号，退出码没有任何意义！