Linux之进程控制

进程创建

fork()

1.函数介绍：pid_t fork();fork函数用于创建子进程，若是创建成功，在子进程中返回0，在父进程返回新创建的子进程的id，若是创建失败，返回-1

2.调用fork函数，内核会做什么？

<1>分配资源：

1)控制进程快：内核为新创建的子进程分配一个新的 task_struct 结构体，这是进程在内核中的核心数据结构，用于存储进程的所有信息，如进程ID、状态、内存映射、文件描述符等。

2)内存空间：为子进程分配必要的内存空间，包括用户态的内存（如栈、堆）和内核态的内存

<2>复制父进程的代码和数据：

1)复制代码段、数据段、堆和栈：内核将父进程的代码段、数据段、堆和栈的内容复制到子进程中。但为了提高效率，现代Linux内核采用了写时复制（Copy-on-Write, COW）技术。这意味着在 fork() 时，实际上并没有立即复制数据，而是让父子进程共享相同的物理内存页。只有当某个进程尝试修改这些共享的内存页时，才会触发缺页异常，内核才会为修改的进程创建这些内存页的副本。

2)复制文件描述符表:复制父进程的文件描述符表，使得父子进程可以共享打开的文件。但是，每个文件描述符的引用计数会增加，以反映它被两个进程共享。

<3>初始化子进程：

1)为新创建的子进程分配一个唯一的进程ID。

2)将子进程的状态设置为不可中断睡眠状态（TASK_UNINTERRUPTIBLE），以确保在子进程完成初始化之前不会被调度执行。

<4>设置父子关系：

1)在父进程的 task_struct 中添加对新创建的子进程的引用。

2)在子进程的 task_struct 中设置父进程的引用，以及指向父进程进程组的指针

<5>执行调度：

1)内核将子进程添加到系统的进程列表中，准备进行调度。

2)返回值

3.fork函数可以有两个返回值，这是为什么呢？

答案是在进行程序调度时发生写实拷贝，子进程和父进程共享大部分的数据和代码，当执行子进程时，在物理内存上对子进程的代码和数据进行拷贝，在另一块物理内存上执行，同理执行父进程时也是如此，故而父进程和子进程在执行时实际上是两个独立的进程，每个进程都会接收fork的返回值

补充：写实拷贝

<1>概念：写实拷贝是一种内存管理策略，其核心思想是：在多个进程或线程共享同一块内存区域时，如果不进行写操作，则这些进程或线程可以共享同一块物理内存；一旦某个进程或线程尝试对共享内存区域进行写操作，操作系统会为该进程或线程分配一块新的物理内存，并将原共享内存区域的内容复制到新的内存中，以确保数据的一致性和独立性。

<2>原理：

写实拷贝技术通常通过引用计数来实现。在分配共享内存区域时，系统会多分配一些空间来存储引用计数，用于记录有多少个进程或线程正在共享这块内存。当某个进程或线程尝试对共享内存进行写操作时，系统会先检查引用计数：

***如果引用计数大于1，说明有其他进程或线程也在共享这块内存，此时系统会为该进程或线程分配一块新的物理内存，并将原共享内存的内容复制到新内存中，然后将引用计数减1。

***如果引用计数等于1，说明没有其他进程或线程在共享这块内存，此时可以直接对该内存进行写操作，无需复制。

<3>好处：提高性能，简化内存管理

进程终止

1.进程退出的场景

<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

注：若代码运行完毕，结果正确与否是通过进程退出码判断的；若进程异常终止，此时进程退出码无意义，而进程出现异常，往往是进程接收了信号

2.查看进程退出码的命令

. echo $? ：此命令用于打印最近一个程序/进程退出时的退出码（因为进程退出码会被写在进程的task_struct内部）

3.进程退出的方法

<1>在main函数内部写return

<2>使用exit(进程退出码)函数，在任何地方调用exit()，进程会结束，同时将子进程的进程退出码返回给父进程

<3>使用_exit(进程退出码)函数

注：exit函数底层封装了_exit函数

进程等待

1.为什么要进行进程等待？

答案是通过等待，解决内存泄漏问题，回收子进程资源；获取子进程的退出信息

2.如何进行进程等待？

<1>pid_t wait(int* status);

1)功能：使父进程等待任意一个子进程结束，并获取子进程的终止状态

2)头文件：<sys/wait.h>

3)参数解释： status: 一个指向整数的指针，用于存储子进程的终止状态。如果不需要这个信息，可以传递 NULL 。

4)返回值：成功返回子进程的id；失败返回-1，并设置errno指示错误信息

<2>pid_t waitpid(pid_t pid,int* status,int options);

1)功能：使父进程等待特定子进程结束，设置是否阻塞父进程模式，并获取子进程的终止状态

2)头文件：<sys/wait.h>

3)参数解释：

pid :指定要等待的子进程的进程 ID

status :指向整数的指针，用于存储子进程的终止状态。如果不需要这个信息，可以传递 NULL

options :设置是否阻塞，默认为0

4)返回值：

0说明等待结束，返回子进程的id；

=0说明调用结束，但是子进程没有退出；

<0说明等待失败，并设置errno指示错误信息

进程替换

1.进程替换概念：

进程替换允许一个进程在运行过程中被另一个新的进程完全替换，在进程替换发生时，原有进程的代码、数据和资源会被新的进程所取代，新进程开始执行，原有进程的执行状态和上下文信息会被丢弃。

2.进程替换原理：

父进程通过fork函数创建子进程，子进程内部调用exec*系列函数来执行新进程。 exec 系列函数不会创建新进程，而是直接用新程序替换当前进程的内容,一旦替换完成，后续代码将不在执行。 调用 exec 函数后，当前进程的代码和数据完全被新程序替换，从新程序的启动例程（通常是 main 函数）开始执行。尽管进程的代码和数据被替换了，但进程的 ID（PID）、父进程 ID（PPID）、文件描述符等关键信息会被保留。在进程替换之后，父进程仍然可以通过原来的 PID 来等待子进程的结束

3.进程替换的接口–exec*函数系列

<1>int execl(const char* path,const char* arg,…);

直接接受参数列表和环境变量（或继承当前环境变量）

<2>int execlp(const char* file,const char* arg,…);

接受程序名而不是路径，并使用 PATH 环境变量来查找程序

<3>int execv(const char* path,const char* argv[]);

接受参数列表作为数组，并继承当前环境变量。

<4>int execvp(const char* file,const char* argv[]);

类似于 execv ，但接受程序名并使用 PATH 环境变量查找。

<5>int execvpe(const char* file,const char* argv[],char* const envp[]);

1)参数解释：

path:路径+程序名，用于解释我要执行什么

file:要执行的文件名（因为会自动在环境变量PATH中查找指定命令）

arg:可变参数列表，命令行怎么写，我就怎么写，最后要以NULL结尾

argv[]:参数列表数组，第一个元素是程序名，最后一个元素是 NULL

envp[]:存放环境变量的指针数组列表

2)返回值：成功不返回任何东西；失败返回-1，并设置errno指示错误信息

3)若要将新的环境变量添加到子进程内？

方法一：使用putenv()，在哪个进程调用它，就在哪个进程新增环境变量

方法二：使用extern char** environ;声明，再调用execvpe(file,argv[],envp[],environ)函数