可以看到，Before 只输出了一次，而 After 则输出了两次。这里，Before 是由父进程打印的，而调用 fork 函数后打印的两个 After，分别由父进程和子进程各自执行。这意味着，在 fork 之前，只有父进程在独立执行；而在 fork 之后，父进程和子进程分别在两个独立的执行流中运行。

注意：fork 之后，父进程和子进程的执行顺序完全由调度器决定，因此无法保证谁会先执行。

fork函数返回值

fork函数为什么要给子进程返回0，给父进程返回子进程的PID？

        fork 函数之所以在子进程中返回 0，而在父进程中返回子进程的 PID，是因为它们在进程间的角色和需求不同。

        对于子进程而言，它只有一个父进程，并且不需要特别标识这个父进程，因此返回值为 0 就足够了。这使得子进程可以通过判断返回值是否为 0 来确定自己是子进程。

        对于父进程来说，它可能会创建多个子进程，因此需要一个方式来区分和管理这些子进程。fork 返回子进程的 PID，可以让父进程明确地知道每个子进程的身份。父进程需要子进程的 PID 来执行一些特定的操作，比如等待子进程完成任务（使用 wait 系统调用），或者发送信号等。这样，父进程能够有效地管理和协调其创建的子进程。

为什么fork函数有两个返回值？

在父进程调用 fork 函数后，为了创建子进程，fork 函数内部会进行一系列操作，包括：

创建子进程的进程控制块（PCB）：这是一个数据结构，用于存储子进程的状态信息和管理信息，如进程ID（PID）、进程状态、寄存器内容等。

创建子进程的进程地址空间：这涉及为子进程分配独立的内存空间，使其拥有自己的代码段、数据段和堆栈段，尽管这些段的内容最初是从父进程复制过来的。

创建子进程对应的页表：页表是内存管理的重要结构，用于映射虚拟地址到物理地址。子进程需要自己的页表，以确保其内存访问的独立性。

完成这些步骤后，操作系统还会将子进程的进程控制块添加到系统的进程列表中。此时，子进程的创建过程就完成了，它成为系统中的一个独立进程，可以被调度执行。

在 fork 函数内部执行 return 语句之前，子进程的创建过程就已经完成了。此时，子进程和父进程都已经存在，并且各自有独立的执行流。因此，fork 函数的返回不仅发生在父进程中，也在子进程中。

正因为如此，fork 函数有两个返回值：在父进程中，它返回子进程的 PID；在子进程中，它返回 0。这两个不同的返回值帮助区分父进程和子进程，使得程序可以根据不同的返回值执行不同的逻辑。例如，父进程可以继续管理子进程，而子进程则可以执行特定的任务。这种设计使得进程间的协调和控制变得更加灵活和有效。

写时拷贝

在子进程刚刚创建时，父进程和子进程的代码及数据是共享的。这意味着父进程和子进程通过页表映射到相同的物理内存区域。只有当父进程或子进程尝试修改数据时，系统才会将父进程的数据复制到一个新的内存区域，然后在新的位置上进行修改。

这种在需要进行数据修改时才进行拷贝的技术被称为写时拷贝（Copy-On-Write, COW）技术。

1、为什么数据要进行写时拷贝？

        进程具有独立性。在多进程环境中，每个进程需要独占各种资源，确保在多个进程同时运行时，它们之间互不干扰。子进程的修改不能影响到父进程，以保持各进程的独立性和稳定性。

2、为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？

        子进程不一定会使用父进程的所有数据。因此，在子进程未对数据进行写入的情况下，没有必要提前对数据进行拷贝。我们应当采用按需分配的策略，即仅在需要修改数据时才进行拷贝（延时分配）。这种方法可以高效地利用内存空间。

3、代码会不会进行写时拷贝？

        虽然在90%的情况下，子进程不会修改父进程的数据，但这并不意味着代码无法进行写时拷贝。例如，在进行进程替换时，系统需要进行代码的写时拷贝，以确保进程的正确性和稳定性。

fork常规用法

一个进程可能希望复制自己，以便子进程能够同时执行不同的代码段。例如，父进程可以在等待客户端请求时创建一个子进程，来处理这些请求。
一个进程需要执行不同的程序。在这种情况下，子进程在从 fork 返回后，会调用 exec 函数来执行新的程序。

fork调用失败的原因

fork 函数创建子进程时也可能会失败，主要有以下两种情况：

系统中存在过多进程，导致内存空间不足，从而使子进程创建失败。
实际用户的进程数超过了系统设置的限制，此时子进程创建也会失败。

进程终止

进程退出场景

进程退出通常有三种情况：

代码运行完毕且结果正确。
代码运行完毕但结果不正确。
代码异常终止，即进程崩溃。

进程退出码

我们知道 main 函数是程序的入口点，但实际上 main 函数只是用户级代码的入口。main 函数本身也是由其他函数调用的。例如，在 Visual Studio 2013 中，main 函数是由名为 __tmainCRTStartup 的函数调用的，而 __tmainCRTStartup 函数又是通过加载器由操作系统调用的。换句话说，main 函数是间接由操作系统调用的。

既然 main 函数是间接由操作系统调用的，那么当 main 函数执行完毕时，应当向操作系统返回相应的退出信息。这些退出信息是通过 main 函数的返回值作为退出码返回给操作系统的。通常情况下，返回值为0表示程序成功执行完毕，而非0表示程序执行过程中出现了错误。这也是为什么我们在 main 函数的最后一般会返回0。

当代码运行时，它会变成一个进程。进程结束时，main 函数的返回值实际上就是该进程的退出码。我们可以使用 echo $? 命令来查看最近一次进程退出时的退出码信息。

例如下面这个代码：

代码运行结束后，我们可以查看该进程的进程退出码。

这时便可以确定main函数是顺利执行完毕了。

为什么以0表示代码执行成功，以非0表示代码执行错误？

因为代码执行成功只有一种情况——成功即为成功——而代码执行错误可能有多种原因，例如内存空间不足、非法访问、栈溢出等。为了更好地识别错误原因，我们可以使用不同的非0退出码来分别表示这些错误情况。这样，通过检查退出码的不同值，我们可以更具体地了解程序执行失败的原因。

C语言当中的strerror函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：

运行代码后我们就可以看到各个错误码所对应的错误信息：

实际上Linux中的ls、pwd等命令都是可执行程序，使用这些命令后我们也可以查看其对应的退出码。
可以看到，这些命令成功执行后，其退出码也是0。

但是命令执行错误后，其退出码就是非0的数字，该数字具体代表某一错误信息。

注意：退出码通常都有对应的字符串含义，用于帮助用户确认执行失败的原因。然而，这些退出码的具体含义是人为规定的，在不同的环境中，相同的退出码可能具有不同的字符串含义。

进程正常退出

return退出

在 main 函数中使用 return 语句来退出进程是我们常用的方法。这样做不仅可以结束程序的执行，还可以将退出码返回给操作系统，以指示程序的执行状态。

exit函数

使用 exit 函数退出进程也是一种常用的方法。与 return 不同，exit 函数可以在程序中的任何位置调用，并在退出进程之前执行一系列重要操作：

执行用户通过 atexit 或 on_exit 定义的清理函数，这些函数用于释放资源或进行其他清理工作。
关闭所有打开的文件流，并将所有缓存的数据写入到相应的文件，确保数据完整性。
调用 _exit 函数终止进程，这一步骤会立即结束进程，而不再执行进一步的清理操作。

例如，以下代码中exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。

_exit函数

_exit 函数通常不作为退出进程的常用方法。虽然 _exit 函数也可以在程序的任何位置调用以退出进程，但它会立即终止进程，而不会在退出之前执行任何清理工作。这意味着 _exit 函数不会执行清理函数、关闭打开的文件流或写入缓存的数据，因此其作用是直接终止进程。

例如，以下代码中使用_exit终止进程，则缓冲区当中的数据将不会被输出。

return、exit和_exit之间的区别与联系

区别：

1、只有在 main 函数中的 return 语句才能有效地退出进程。在子函数中的 return 语句仅会返回到调用它的函数，而不会退出整个进程。相比之下，exit 函数和 _exit 函数可以在代码中的任何位置被调用，以退出进程。

2、使用 exit 函数退出进程时，它会执行以下操作：

执行用户定义的清理函数（通过 atexit 或 on_exit 注册的）。
冲刷（flush）所有打开的流，确保缓存数据被写入。
关闭所有打开的文件流。
然后再终止进程。

3、使用 _exit 函数退出进程时，它会立即终止进程，不会执行任何清理操作，如不冲刷缓冲区、不关闭流等。

联系：

1、执行 return num 在 main 函数中等同于执行 exit(num)。当 main 函数执行完毕时，它的返回值会被用作 exit 函数的参数，从而调用 exit(num) 来退出进程。

2、使用 exit 函数退出进程时，它会执行以下步骤：

执行用户定义的清理函数（通过 atexit 或 on_exit 注册的）。
冲刷缓冲区，将所有缓存的数据写入相应的文件。
关闭所有打开的流，确保资源被正确释放。
然后，调用 _exit 函数来实际终止进程。

进程异常退出

情况一：向进程发送信号导致进程异常退出。

例如，在进程运行过程中，如果使用 kill -9 命令向进程发送信号，或者按下 Ctrl+C，可能会导致进程异常退出。这些信号会立即终止进程，且进程的退出通常不会执行清理操作。

情况二：代码错误导致进程运行时异常退出。

例如，代码中存在野指针问题，或者出现除以零的情况，可能会使进程在运行时异常退出。这种情况下，程序可能会因为未处理的异常或错误而崩溃，导致进程的非正常终止。

进程等待

进程等待的必要性

当子进程退出后，如果父进程不读取子进程的退出信息，子进程会变成僵尸进程，这会导致内存泄漏。僵尸进程是已经完成执行但其退出状态尚未被父进程读取的进程。
一旦进程变成僵尸进程，即使使用 kill -9 命令也无法将其杀死，因为僵尸进程实际上已经死亡，不再执行任何操作。因此，无法对已经死去的进程进行进一步的操作。
对于一个进程来说，最关心的就是其父进程，因为父进程需要知道子进程完成任务的状态。
父进程需要通过等待子进程的方式来回收子进程的资源，并获取子进程的退出信息。这可以通过系统调用如 wait 或 waitpid 来实现，确保子进程的退出状态被正确处理，从而避免资源泄漏和僵尸进程的产生。

获取子进程status

在进程等待操作中，wait 和 waitpid 函数都有一个 status 参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充，用于提供子进程的退出状态信息。

如果将 status 参数传递为 NULL，表示父进程不关心子进程的退出状态信息。
如果提供了 status 参数，操作系统将通过该参数将子进程的退出信息反馈给父进程。

虽然 status 是一个整型变量，但不能简单地将其当作整型来看待。status 的不同比特位代表不同的信息。具体来说，我们只研究 status 的低16位，这些位的细节如下：

在 status 的低16比特位中：

1、高8位（第8到15位）：表示进程的退出状态，即退出码。可以使用宏 WEXITSTATUS(status) 来提取这个退出码。

2、低8位（第0到7位）：

低7位：表示终止信号。如果进程是因为信号终止的，这些比特位会指示终止信号的编号。可以使用宏 WTERMSIG(status) 来提取。
第8位：表示是否生成了 core dump。如果这个标志被设置，表示进程终止时生成了 core dump 文件。可以使用宏 WCOREDUMP(status) 来检查。

我们可以通过一系列位操作来提取 status 中的进程退出码和退出信号。


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

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

注意:当一个进程非正常退出时，即该进程是由于信号终止的，那么该进程的退出码通常没有意义。

进程等待的方法

wait方法

函数原型： pid_t wait(int* status);

功能： 用于等待任意子进程的结束。

返回值： 如果调用成功，返回被等待进程的进程ID (pid)，如果失败，则返回 -1。

参数： status 是一个输出参数，用于接收子进程的退出状态。如果不关心退出状态，可以将其设置为 NULL。

例如，创建子进程后，父进程可使用wait函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0){
		//child
		int count = 10;
		while(count--)
        {
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
 
	//father
	int status = 0;
	pid_t ret = wait(&status);
	if(ret > 0)
    {
		//wait success
		printf("wait child success...\n");
		if(WIFEXITED(status))
        {
			//exit normal
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

这时我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，子进程也就不会变成僵尸进程了。

waitpid方法

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

功能： 用于等待特定子进程的结束或任意子进程的结束。

返回值：

如果调用成功，返回被等待进程的进程ID (pid)。
如果设置了 WNOHANG 选项，并且没有任何子进程已退出，则返回0。
如果调用过程中出现错误，则返回 -1，此时 errno 将被设置为相应的错误码以指示问题所在。

参数：

pid：指定要等待的子进程ID。如果设置为 -1，则表示等待任意子进程。
status：输出参数，用于接收子进程的退出状态。如果不需要获取退出状态，可以将其设置为 NULL。
options：设置为 WNOHANG 时，如果没有子进程结束，waitpid 会立即返回0而不进行等待。如果子进程已结束，则返回该子进程的进程ID。

例如，创建子进程后，父进程可使用waitpid函数一直等待子进程（此时将waitpid的第三个参数设置为0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0)
        {
		//child          
		int count = 10;
		while (count--)
        {
			printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
 
	//father           
	int status = 0;
	pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
	if (ret >= 0)
    {
		//wait success                    
		printf("wait child success...\n");
		if (WIFEXITED(status))
        {
			//exit normal                                 
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
		}
		else
        {
			//signal killed                              
			printf("killed by siganl %d\n", status & 0x7F);
		}
	}
	sleep(3);
	return 0;
}

在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。

注意： 被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

多进程创建以及等待的代码模型

我们还可以使用一种技术，通过创建多个子进程并让父进程依次等待每个子进程的退出，这种方法被称为多进程创建与等待模型。

例如，以下代码中同时创建了10个子进程，同时将子进程的pid放入到ids数组当中，并将这10个子进程退出时的退出码设置为该子进程pid在数组ids中的下标，之后父进程再使用waitpid函数指定等待这10个子进程。


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
int main()
{
	pid_t ids[10];
	for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
		pid_t id = fork();
		if (id == 0)
        {
			//child
			printf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());
			sleep(3);
			exit(i); //将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
		}
		//father
		ids[i] = id;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
		if (ret >= 0)
        {
			//wait child success
			printf("wiat child success..PID:%d\n", ids[i]);
			if (WIFEXITED(status))
            {
				//exit normal
				printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
			}
			else
            {
				//signal killed
				printf("killed by signal %d\n", status & 0x7F);
			}
		}
	}
	return 0;
}

运行代码，这时我们便可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。

基于非阻塞接口的轮询检测方案

在上面的例子中，当子进程尚未退出时，父进程会一直处于等待状态，这种等待方式被称为阻塞等待。在这种模式下，父进程无法进行其他操作，直到子进程退出。

为了避免这种情况，我们可以采用非阻塞等待的方式。这样，父进程在子进程未退出时，可以继续执行自己的任务，而在子进程退出后，再去获取子进程的退出信息。这样可以提高父进程的效率，使其在等待期间能够进行其他操作。

我们可以通过，向waitpid函数的第三个参数potions传入WNOHANG，这样一来，等待的子进程若是没有结束，那么waitpid函数将直接返回0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的pid。

例如，父进程可以隔一段时间调用一次waitpid函数，若是等待的子进程尚未退出，则父进程可以先去做一些其他事，过一段时间再调用waitpid函数读取子进程的退出信息。


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0)
    {
		//child
		int count = 3;
		while (count--)
        {
			printf("child do something...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(3);
		}
		exit(0);
	}
 
	//father
	while (1)
    {
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
		if (ret > 0)
        {
			printf("wait child success...\n");
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
			break;
		}
		else if (ret == 0)
        {
			printf("father do other things...\n");
			sleep(1);
		}
		else
        {
			printf("waitpid error...\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

运行结果就是，父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出，若未退出，则父进程先去忙自己的事情，过一段时间再来查看，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

进程程序替换

替换原理

使用 fork 创建子进程后，子进程会执行与父进程相同的程序（虽然可能执行不同的代码路径）。如果我们希望子进程执行一个完全不同的程序，通常需要调用 exec 函数。

当进程调用 exec 函数时，进程的用户空间代码和数据会被新程序完全替换，接着从新程序的入口点开始执行。这意味着原程序的代码和数据将被新程序的代码和数据取代。

当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？

在进程程序替换之后，虽然进程的用户空间代码和数据被新程序替换了，但进程的进程控制块（PCB）、进程地址空间以及页表等数据结构保持不变。这意味着，进程并没有被重新创建，而是原有的进程在物理内存中的数据和代码被新的程序所取代。因此，替换程序前后的进程标识符（PID）保持不变。

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？

当子进程刚被创建时，它与父进程共享代码和数据。然而，如果子进程需要进行进程程序替换，这通常意味着子进程会对其代码和数据进行修改。这时，系统会执行写时拷贝（Copy-On-Write）操作，将父子进程共享的代码和数据进行分离。这样，子进程进行程序替换时，原有的父进程的代码和数据不会受到影响，两者的代码和数据也就分离开来。

替换函数

替换函数有六种以exec开头的函数，它们统称为exec函数：

1、int execl(const char *path, const char *arg, ...);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

2、int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。

execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

3、int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，表示你要如何执行这个程序，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。


char* myenvp[] = { "MYVAL=2024", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

4、int execv(const char *path, char *const argv[]);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。


char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);

5、int execvp(const char *file, char *const argv[]);

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾。

例如，要执行的是ls程序。


char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

6、int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，数组当中的内容表示你要如何执行这个程序，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量。

例如，你设置了MYVAL环境变量，在mycmd程序内部就可以使用该环境变量。


char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2024", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);

函数解释

如果这些函数调用成功，它们将加载指定的程序，并从新程序的启动代码开始执行，此时不会再返回到原来的程序中。
如果调用失败，函数会返回 -1。换句话说，只要 exec 系列函数返回值不为 -1，就表示调用失败。

命名理解

exec 系列函数的函数名都以 exec 开头，其后缀的含义如下：

l (list): 参数以列表形式传递，一一列出。
v (vector): 参数以数组形式传递。
p (path): 能自动搜索环境变量 PATH 来查找程序。
e (env): 可以传入自定义的环境变量。

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变量
execl	列表	否	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	否	否，需自己组装环境变量
execv	数组	否	是
execvp	数组	是	是
execve	数组	否	否，需自己组装环境变量

实际上，execve 是唯一真正的系统调用，其它五个 exec 系列函数最终都是通过 execve 实现的。因此，execve 在 man 手册的第2节，而其他五个函数则在第3节。这意味着，其他五个 exec 系列函数实际上是对系统调用 execve 的封装，以适应不同用户的调用需求。

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