目录

• 1. 进程创建
• • fork()函数初识
  • 写实拷贝
  • fork()常规用法
• 2. 进程终止
• • 2.1 进程退出的场景
  • 2.2 进程常见退出方法
• 3. 进程等待
• • 3.1 进程等待必要性
  • 3.2 进程等待的方法
  • • 3.2.1 wait
    • 3.2.2 waitpid
  • 3.3 获取子进程status
  • 3.4 阻塞 与 非阻塞
• 4. 进程替换
• • 4.1 进程替换概念
  • 4.2 替换函数
  • • 4.2.1 execl
    • 4.2.2 execv
    • 4.2.3 execlp
    • 4.2.4 execvp
    • 4.2.5 execvpe
    • 4.2.6 execve
    • 4.2.7 规律总结
  • 4.3 为什么要程序替换
• 5. shell 的模拟实现

1. 进程创建

fork()函数初识

这里之前讲过，不再赘述：
【Linux】进程入门详解## fork()函数返回值

写实拷贝

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。

为什么不拷贝 只读数据？

所有的数据，并不是父和子都会写入，如果是只读的数据，写时拷贝不会拷贝，避免内存与系统资源的浪费

fork的时候，创建子进程的数据结构，如果还要将只读数据拷贝一份，会导致fork的效率降低。而且fork()本身就是把向系统要更多的资源，要的资源越多，fork就越容易失败。

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

2. 进程终止

2.1 进程退出的场景

1. 代码跑完，结果正确，退出码为0
2. 代码跑完，结果不正确，逻辑问题，但是没有导致程序崩溃，退出码 非0
3. 代码没跑完，程序崩溃。退出码此时无意义。

2.2 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
2. 调用exit
3. _exit

• 异常退出：
  ctrl + c，信号终止

3. 进程等待

3.1 进程等待必要性

1. 回收僵尸进程，解决内存泄漏
2. 需要获取进程的运行结束状态
3. 尽量父进程要晚于子进程退出，可以规范化进行资源回收

3.2 进程等待的方法

系统提供了两个系统接口来供用户使用。

3.2.1 wait

函数声明

//需要包含的头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
//函数声明
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。

我们写一个例子来验证一下wait函数：

同时我们使用监视脚本来对父与子进程状态进行跟踪：

//监控脚本,每一秒刷新一次进程状态
while : ; do echo "######################";ps ajx | grep proc | grep -v grep;
 echo "########################";sleep 1;done

我们看一下该程序运行时的进程转态：

很容易发现，在5->10秒，子进程是僵尸状态，在10秒开始时，父进程苏醒，wait函数回收子进程，所以在10到13 秒，只有父进程在运行。

3.2.2 waitpid

相比较于 wait ，waitpid像是它的plus 版本，给用户提供更加个性化的选择：

函数声明：

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：

1. pid：
   Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
   Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程（等待指定的进程）
2. 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）
3. 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。

所以，对于之前的例子，我们是可以用waitpid 来代替wait的。

3.3 获取子进程status

wait 与 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

已知在32位操作系统下， status 是一个整形数字，有32个bit位。

我们画一个示意图：

其中，次第八位 存储的是 子进程退出时的退出码，即exit(n)

我们可以来验证一下：

运行结果：

这里有几个问题：

1. 是否可以通过设置全局变量，告知父进程的退出码?
   绝对不行，写时拷贝

2. 我们通过waitpid 拿到的status 的值，是从哪里得到的，子进程已经结束了啊？

子进程时僵尸状态，子进程的数据结构没有消失，task_struct 会被填入其退出码，所以waitpid从子进程task_struct中拿退出码。

如果进程异常终止了，那么 在 status 的最低七位存储 终止信号，而空出的那第八位，存储core dump 标志。

所以我们在检测的时候，要先看最低七位是不是0-，如果是0，那么说明正常终止，此时我们再去查看其退出码，即次第八位。 如果非0，那么就说明 被异常终止。

同样，我们也可来测试一下这种情况;

我们通过写一个野指针的解引用来引发异常。

运行结果：

这里我们还有一个core dump 标志没有讲解，这是因为 这一块内容比较多，之后再介绍。

我们编写一个完整的判断逻辑：

但是有一个问题，我们每次想取得退出码和错误码都要按位与吗？并不是，系统提供了一堆的宏可以使用。

这里我们只介绍两个;

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）

由此 ，代码可以简化为：

3.4 阻塞 与 非阻塞

我们目前调用的函数，全部都是阻塞函数。调用->执行->返回->结束 。执行时 调用方一直在等待，没有做其他事情。（但执行流）

非阻塞轮询方案，更加高效。（如下图）

这种方案显然会有三种返回情况：

1. 失败：下次再检测
2. 成功：已经返回
3. 失败：真正失败

这就对对应了waitpid 的第三个参数options:

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。

也就是说，如果我们设置WNOHANG参数，那么就会对进程采用非阻塞轮询方案。

• 到底如何理解 进程的“等”？
  将当前的进程放入等待队列，并将进程状态设置为非R状态。
  当条件允许，OS就会唤醒进程，将其由等待队列转到运行队列，转为R状态。

4. 进程替换

4.1 进程替换概念

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。

4.2 替换函数

Linux 提供了六组系统接口：

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

我们循序渐进，先介绍第一个函数：

4.2.1 execl

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

其中：

• path: 你要执行那个程序
• arg: 你要执行的命令
• … 可变参数列表，命令行怎么执行，传入什么选项，你就可以在这里直接按照顺序填写参数

我们直接实验一下：

这段代码等效于命令：

ls -a -l -i

但是，细心的同学发现，我们的最后一条语句没有打印出来。这是因为代码被替换为ls了。执行完ls后不会再回源程序了。

也就是说，exec函数，不需要考虑返回值，只要返回，一定是这个函数调用失败了。

当然，我们也可以通过父进程来创建子进程来执行程序替换，此时的程序替换是不会影响父进程的。

运行结果：

4.2.2 execv

这个函数与execl 基本相同，l 代表 list ,v代表 vector，也就说，只是传参的方式不同，如下图：

4.2.3 execlp

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

比较二者，多的p 表示path，指有p自动搜索环境变量PATH.

4.2.4 execvp

这个函数很显然了，不再赘述

4.2.5 execvpe

函数声明：

int execvpe(const char* file, char* const argv[],char* const envp[])

其中多的e 是env ，即环境变量。

我们可以传入默认或者自定义的环境变量给目标的可执行程序。

4.2.6 execve

实际上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve

那么 execve 也类似：

除了传自定义的本地变量，我们还可以传环境变量：

但是显然 ，此时我们是找不到MYENV的，因为它还没有写入环境变量：

写入后：

4.2.7 规律总结

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。

• l(list) : 表示参数采用列表
• v(vector) : 参数用数组
• p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
• e(env) : 表示自己维护环境变量
  

4.3 为什么要程序替换

程序替换通常有两种应用场景：

1. 子进程 执行父进程的一部分代码
2. 子进程自身新的程序的需求

5. shell 的模拟实现

进程的基本内容基本掌握后，我们现在已经有能力模拟实现一下我们的命令行编辑器shell了。

这里我们要注意 cd 是内置命令，要单独处理。