【Linux】进程控制（进程创建、进程终止、进程等待、进程替换）_设计程序,实现进程的创建、运行和终止

一、进程创建

目前学习到的进程创建的两种方式：

1. 命令行启动命令（程序、指令等） 。
2. 通过程序自身，调用 fork 函数创建出子进程。

1.1 系统调用 fork

Linux 中的系统接口 fork 函数是非常重要的函数，它从已存在进程（父进程）中创建一个新进程（子进程）：

#include<unistd.h>
pid_t fork(void);  // 返回值：子进程中返回0，父进程中返回子进程id，出错返回-1
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进程调用 fork，当控制转移到内核中的 fork 函数代码后，操作系统内核会做：

• 分配新的内存块和内核数据结构（task_struct）给子进程。
• （以父进程为模板）将父进程的内核数据结构中的部分内容拷贝至子进程。
• 添加子进程到系统进程列表当中（因为进程要被调度和执行）。
• fork 函数返回后，开始调度器调度。

fork 的常规用法：

• 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。

fork 调用失败的原因：

• 系统中有太多的进程，系统资源不足。

• 实际用户的进程数超过了限制。

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1.2 理解 fork 的返回值

当一个进程调用 fork 之后，在不写入的情况下，用户的代码和数据是父子进程共享的。就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序。

#include<stdio.h>  // perror
#include<unistd.h> // getpid, getppid, fork

int main()  
{  
    // ...
    pid_t ret = fork(); // 返回时发生了写时拷贝
    if (ret == 0) {
        // child process
        while (1) {
            printf("child process, pid:%u, ppid:%u\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else if (ret > 0) {
        // father process
        while (1) {
            printf("father process, pid:%u, ppid:%u\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else {
        // failure
        perror("fork");
    }
    return 0;
}
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fork 之前父进程独立执行，fork 之后父子进程分别执行。注意：fork 之后谁先执行完全由调度器决定。

画图理解 fork 函数：

思考：

1. 为什么 fork 有两个返回值，从而使父子进程进入不同的业务逻辑。为什么 fork 的返回值会返回两次呢？

   fork 函数中的 return 语句是被父子进程共享的，所以都会被父子进程执行。当 frok 返回时，会往变量 ret 中写入数据（如：pid_t ret = fork(); ），发生了写时拷贝，导致 ret 有两份，分别被父子进程私有。（代码共享，数据各自私有）

2. 返回值 ret 变量名相同，为什么会有两个不同的值呢？

   变量名相同，有两个不同的值，本质是因为被映射到了不同的物理地址处。

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1.3 写时拷贝策略

写时拷贝是一种延时操作的策略，为什么要有写时拷贝呢？写时拷贝的好处是什么？

1. 为了保证父子进程的独立性！（数据各自私有一份）
2. 不是所有的数据，都有必要被拷贝一份（比如只读的数据）。写时拷贝可以节约资源。
3. fork 时，如果把所有的数据都拷贝一份，是需要花费时间的，降低了效率。写时拷贝可以提高 fork 执行的效率。
4. fork 创建子进程本身就是向操作系统要资源，如果把所有的数据都拷贝一份，要更多的资源，更容易导致 fork 失败。写时拷贝可以减少 fork 失败的概率。

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二、进程终止

2.1 main 函数的返回值

我们在写 C/C++ 代码时，main 函数里面我们总是会返回 0，比如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("hello world\n");
    return 0;
}
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思考：为什么 main 函数中总是会返回 0 （ return 0; ）呢？

• main 函数中的这个返回值叫做：「进程退出码」，用来表示进程退出时，其执行结果是否正确。
• 返回的 0 是给操作系统看的，来确认进程的执行结果是否正确。（0 通常表示成功）

用户可以通过命令 echo $? 查看最近一次执行的程序的「进程退出码」，比如：

[ll@VM-0-12-centos 12]$ ./test
hello world
[ll@VM-0-12-centos 12]$ echo $?  # 查看最近一次执行的程序的退出码
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2.2 进程退出的几种情况

1. 代码跑完，结果正确。（退出码：0）
2. 代码跑完，结果不正确。（一般是代码逻辑有问题，但没有导致程序崩溃，退出码：非0）
3. 代码没跑完，程序非正常终止了。（这种情况下，退出码已经没有意义了，是由信号来终止，比如 ctrl+c）

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2.3 进程退出码

父进程创建子进程的目的是为了让子进程给我们完成任务，父进程需要通过「子进程的退出码」知道子进程把任务完成的怎么样。

比如在生活中，网页打不开时，用户需要通过返回的一串错误代码得知网页出错的原因：

退出码可以人为的定义，也可以使用系统的错误码列表（错误码 (int) 与错误码描述 (string) 之间的映射表）

比如：C 语言库中提供一个接口，可以把「错误码」转换成对应的「错误码描述」，程序如下：

#include<stdio.h>
#include<string.h> // strerror

int main()
{
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    printf("%d -- %s\n", i, strerror(i)); // char *strerror(int errnum);
  } 
  return 0;
}
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运行结果：

[ll@VM-0-12-centos 12]$ ./test
0 -- Success
1 -- Operation not permitted
2 -- No such file or directory
3 -- No such process
4 -- Interrupted system call
5 -- Input/output error
6 -- No such device or address
7 -- Argument list too long
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2.4 终止正常进程：return、exit、_exit

注意：⭐

• 只有 main 函数中的 return 表示的是终止进程，非 main 函数中的 return 不是终止进程，而是结束函数。
• 在任何函数中调用 exit 函数，都表示直接终止该进程。

库函数：exit：

#include <stdlib.h>
void exit(int status);  // 终止正常进程
// 参数 status: 定义了进程的终止状态，父进程通过 wait 函数来获取该值
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系统调用：_exit：

#include <unistd.h>
void _exit(int status);  // 终止正在调用的进程
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系统调用接口 _exit 的功能也是终止正在调用的进程，它和库函数 exit 有什么区别呢？

• exit：在进程退出的时候，会进行后续资源处理（比如刷新缓冲区）。
• _exit：在进程退出的时候，不会进行后续资源处理，直接终止进程。

补充：

其实，库函数 exit 最后也会调用系统接口 _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。

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2.5 站在 OS 角度：理解进程终止

站在操作系统角度，如何理解进程终止？

1. “ 释放 ” 曾经为了管理该进程，在内核中维护的所有数据结构对象。

   注意：这里的 “ 释放 ” 不是真的把这些数据结构对象销毁，即占用的内核空间还给 OS；而是设置成不用状态，把相同类型的对象归为一类(如进程控制块就是一类)，保存到一个 “ 数据结构池 ” 中，凡是有不用的对象，就链入该池子中。

   我们知道在内核空间中维护一个内存池，减少了用户频繁申请和释放空间的操作，提高了用户使用内存的效率，但每次从内存池中申请和使用一块空间时，还需要先对这块空间进行类型强转，再初始化。

   现在有了这些 “ 数据结构池 ” ，比如：当创建新进程时，需要创建新的 PCB，不需要再从内存池中申请一块空间，进行类型强转并初始化，而是从 “ 数据结构池 ” 中直接获取一块不用的 PCB 覆盖初始化即可，减少了频繁申请和释放空间的过程，提高了使用内存的效率。

   这种内存分配机制在 Linux 中叫做 slab 分配器。

   

2. 释放程序代码和数据占用的内存空间。

   注意：这里的释放不是把代码和数据清空，而是把占用的那部分内存设置成「未使用」就可以了。

3. 取消曾经该进程的链接关系。

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三、进程等待

3.1 进程等待的必要性

• 子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取到子进程状态，就可能造成「僵尸进程」的问题，进而导致内存泄漏。

  退出状态本身要用数据维护，也属于进程的基本信息，所以保存在 task_struct(PCB) 中，换句话说，僵尸进程一直不退出，它对应的 PCB 就要一直维护。

• 另外，进程一旦变成僵尸状态，命令 kill -9 也无能为力，因为没有办法杀死一个已经死去的进程。

• 最后，父进程需要知道派给子进程的任务完成的如何。（如：子进程运行完成，运行结果对不对，有没有正常退出，还有根据进程退出信息制定出错时的一些策略）

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思考：为什么要有进程等待？

1. 等待子进程终止，回收僵尸进程，从而解决内存泄露问题。

2. 获取子进程的退出信息。—— 不是必须的，需要就获取，不需要就不获取。

   因为父进程需要知道派给子进程的任务完成的如何，有没有正常退出，还可以根据进程退出信息制定出错时的一些策略。

3. 尽量保证父进程要晚于子进程退出，可以规范化的进行资源回收。—— 这是编码方面的要求，并非系统。

4. …

总结：父进程通过进程等待的方式：回收子进程资源，防止内存泄漏；获取子进程的退出信息。⭐

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3.2 如何「进程等待」：wait、waitpid 函数

系统调用 wait，waitpid - 等待任意一个子进程改变状态，子进程终止时，函数才会返回。（其实就是等待进程由 R/S(运行/睡眠) 状态变成 Z(僵尸) 状态，然后父进程读取子进程的状态，操作系统回收子进程）

3.1.1 wait 函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);
/*
* wait() 系统调用：暂停正在调用进程的执行，直到它的一个子进程终止。
* 调用 wait(&status) 等价于 waitpid(-1, &status, 0);
*/
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参数：

• status：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。

返回值：

• 成功时，返回终止子进程的进程 ID，出错时，返回 -1。

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