Linux操作系统~进程fork到wait到底怎么用？

目录

1.fork()

（1）.概念

（2）.fork的写时拷贝

（3）.fork常规用法

2.进程终止

（1）.进程退出场景/退出码

（2）.进程常见退出方法

1）.exit函数

2）._exit和exit的区别

3）.进程退出后，OS层面做了什么呢？

3.进程等待

（1）.概念

（2）.为什么要让父进程等待

（3）.wait

（4）.waitpid

（5）.获取子进程status

1.子进程的退出有两种情况

2.位运算获取子进程的退出状态（退出码）和终止信号

3.宏函数获取子进程的退出状态（退出码）和判断是否收到终止信号

Q：为什么我们echo可以查到各个进程的退出码？

理解waitpid调用的流程和status

4.第三个参数options-设置等待方式

        1.阻塞等待和非阻塞等待

        2.如何设计一个非阻塞等待的轮询机制

---

1.fork()

（1）.概念

        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

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
 
返回值：自进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

1. 分配新的内存块和内核数据结构（pcb+地址空间mm_struct+页表）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

---

（2）.fork的写时拷贝

        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:

        父进程和子进程的虚拟地址空间以及页表都是各自有一份的，但是对应数据虚拟地址映射到的物理地址是同一个。

        默认所有的数据都是只读的，如果有子进程想要写某个数据（页表项100），会发生写时拷贝，就会发生缺页中断，先拷贝一份数据到新的物理地址空间，然后修改子进程页表的映射关系，让子进程对应数据的虚拟地址映射到新的物理地址，然后中断结束，让子进程来修改数据。

Q：如何保证进程独立性？（如何保证父子进程间的独立性）——写时拷贝

---

（3）.fork常规用法

1. 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。
2. 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。

---

2.进程终止

（1）.进程退出场景/退出码

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（此时程序崩溃了，退出码也就变得没有意义了！我们echo出来也没有意义）

我们的main函数返回0就是表示代码运行完毕，结果正确。（这个返回值就是进程的退出码）

我们可以通过echo $?查看最近一次进程退出时的退出码

[zebra@VM-8-12-centos test6]$ echo $?
0

        第二次第三次echo的时候输出的是前一次echo这个进程的退出码。实际上每个命令执行都是一个进程，都会有一个退出码，这个退出码就是main函数的返回值，每个进程都有一个main函数

不同的错误码对应不同的错误信息，当然我们也可以自己设计一种错误码和错误信息的映射。 

（2）.进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

1. 从main返回（代表进程退出，从函数返回也一样，叫做函数返回）

2. 调用exit

3. _exit

异常退出：

ctrl + c，信号终止

1）.exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值（status有很多宏值，比如EXIT_SUCCESS）

• 说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255。

e.g.：我们就算不加上\n，最后main return或者程序exit的时候也会把缓存区中的内容刷新到显示器上面。

    printf("hello,zebra");
    sleep(5);
    exit(EXIT_SUCCESS);
 
    return 0;

---

2）._exit和exit的区别

_exit则是强制终止进程，不会进行进程后续的收尾工作，比如刷新缓冲区。

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

1. 执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。

2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入

3. 调用_exit

在这里也变相说明了我们所谓的缓冲区是用户层面的缓冲区，不再操作系统层面

---

3）.进程退出后，OS层面做了什么呢？

        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+数据申请的空间也要释放掉掉

---

3.进程等待

（1）.概念

        父进程执行fork之后，会创建子进程，子进程一般都是要帮助父进程完成某种任务，此时父进程需要通过wait/waitpid等待子进程退出。

（2）.为什么要让父进程等待

1.通过获取子进程退出的信息，可以得到子进程的执行结果

2.既然父进程要拿到子进程的执行结果，也就需要保证父进程在子进程之后退出，使用wait可以保证时序问题，即让子进程先退出，父进程后退出。

3.子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，释放子进程占用的资源。

（3）.wait

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);

返回值：

成功返回被等待进程pid，失败返回-1。

参数：

输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL

（4）.waitpid

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

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；

参数：

• pid：

Pid=-1,等待任意一个子进程。与wait等效。（如果这里给的pid和子进程对不上，会等待失败）

Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。

• status:（输出型参数，父进程拿到什么status结果，一定和子进程如何退出强相关）

为了确定是三种退出情况中的哪一种

  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）

• options:

WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。

说明：

1. 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
2. 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
3. 如果不存在该子进程，则立即出错返回

---

（5）.获取子进程status

1. 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。
2. 如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
3. 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。
4. status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待（只看status低16比特位）：

1.子进程的退出有两种情况

• 一种是正常终止（结果正确或者不正确）
• 一种是异常终止（进程因为异常问题，收到了某种信号）

        所以我们可以通过判断是否收到终止信号（0-6，低7位）来判断进程是否是正常终止，如果是正常终止（低7位全是0），我们再去看退出状态（8-15，8个比特位）

2.位运算获取子进程的退出状态（退出码）和终止信号

        如果我们要获取8-15这8位退出状态（退出码），可以让status右移8位，然后和000...000 1111 1111（也就是(status>>8)&0xFF）&一下（因为status是32位的，右移8位后，我们要把前面的24位置0）

        如果我们要获取0-6这7位终止信号，可以让status&0x7F（我们只需要获取低7位就行）

        如果正常退出，退出信号都是0；如果异常退出，退出信号就不是0，此时前面的退出状态也就没有意义

3.宏函数获取子进程的退出状态（退出码）和判断是否收到终止信号

1. WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（判断进程是否收到终止信号）
2. WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）

        首先我们需要判断进程是否收到退出信号，如果收到了，那就是异常退出的；如果没有收到退出信号，那就是正常退出，退出码也就有效了

Q：为什么我们echo可以查到各个进程的退出码？

        bash是命令行启动的所有进程的父进程。bash是通过wait方式得到子进程的退出结果，所以我们echo $?能够查到子进程的退出码

理解waitpid调用的流程和status

        waitpid是一个系统调用接口，肯定是用户来调的。用户调用waitpid让父进程等待子进程退出并变成僵尸状态，然后从进程的pcb中获取exit_code和signal，组合起来放到status中，父进程中的status和用户层的status也就都发生了变化，用户就可以看到进程的退出码和终止信号了。（实际上这个status是一个指针，作为一个输出型参数，所以在操作系统内部修改status会直接影响用户层的status）

 

4.第三个参数options-设置等待方式

WNOHANG: 设置等待方式为非阻塞

若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。

1.阻塞等待和非阻塞等待

首先都是等待的一种方式，都是父进程在等子进程退出（子进程退出是一种条件）

阻塞的本质:其实是进程的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

• 阻塞等待：父进程调waitpid这个接口等待子进程完成时，把父进程放在等待队列里面，等到子进程退出后，再把它从等待队列里面拿出来。
• 非阻塞等待：父进程不会被放入等待队列，而是时不时地多次调用waitpid，直到子进程结束。

2.如何设计一个非阻塞等待的轮询机制

0：阻塞等待

WNOHANG: 设置等待方式为非阻塞

全称是which no hang，表示不会被hang住

我们进行非阻塞等待时，需要考虑三种情况，并进行基于非阻塞等待的轮询方案

每次循环调用waitpid，通过返回值判断子进程是否退出

情况一：这次查询子进程还没退出，父进程做自己的事情

情况二：这次查询子进程退出了

情况三：调用waitpid出错，返回错误信息

while(1){
    pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
    if(ret == 0){
        //子进程没有退出，但是waitpid等待是成功的，需要父进程重复进行等待
        printf("Do father things!\n");
    }
    else if(ret > 0){
        //子进程退出了，waitpid也成功了，获取到了对应的结果
        printf("fahter wait: %d, success, status exit code: %d, status exit signal: %d\n", ret, (status>>8)&0xFF, status&0x7F);
        break;
    }
    else{ //ret < 0
        //等待失败
        perror("waitpid");
        break;
    }
    sleep(1);  //每隔一秒进行一次轮询
}

阻塞就是调用waitpid，如果子进程没退出，就干等

非阻塞就是调用一次waitpid，然后继续执行后面的代码，需要自己设计一个基于非阻塞等待的轮询方案