linux 进程(二) --- 进程的创建及相关api
一、进程的创建fork()函数
由fork创建的新进程被称为子进程(child process)。该函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是 新子进程的进程ID。将子进程ID返回给父进程的理由是:因为一个进程的子进程可以多于一个，所有没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的进程ID。fork使子进程得到返回值0的理由是:一个进程只会有一个父进程，所以子进程总是可以调用getppid以获得其父进程的进程ID(进程 ID 0总是由交换进程使用，所以一个子进程的进程ID不可能为0)。
子进程和父进程继续执行fork之后的指令。子进程是父进程的复制品。例如，子进程获得父进程数据空间、堆和栈的复制品。注意，这是子进程拥有的拷贝。父、子进程并共享这些存储部分。如果正文段是只读的，则父、子进程共享正文段。
现在很多的实现并不做一个父进程数据段和堆的完全拷贝，因为在fork之后经常跟随着exec。作为替代，使用了写时复制(copy-on-write,cow)的技术。这些区域由父、子进程共享，而且内核将他们的存取许可权改变位只读的。如果有进程试图修改这些区域，则内核包异常，典型的是虚存系统中的“页”，做一个拷贝。
实例1:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int glob = 6;
char buf[] = "a write to stdout\n";
int main()
{
int var;
int pid;
var = 88;
if(write(STDOUT_FILENO,buf,sizeof(buf) -1) != sizeof(buf) -1)
{
perror("fail to write");
return -1;
}
printf("before fork\n");
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("fail to fork");
return -1;
}else
if(pid == 0)
{
glob ++;
var ++;
}else{
sleep(2);
}
printf("pid = %d,glob = %d,var = %d\n",getpid(),glob,var);
exit(0);
}
运行结果:
从上面可以看出，因为子进程和父进程拥有独立的物理内存空间，所以当子进程对拷贝来的数据做修改的时候，并没有影响到父进程。
注意:
1.一般来说，fork之后父进程先执行还是子进程先执行是不确定的。这取决于内核所使用的调度算法。
2.从上面可以看到两次的运行结果不一样。我们知道write函数是不带缓存的。因为在fork之前调用write，所以其数据写到标准输出一次。但是，标准 I/O库是带缓存的。如果标准输出连到终端设备，则它是行缓存的，否则它是全缓存的。当以交互方式运行该程序时，只得到printf输出的行一次，其原因是标准输出缓存由新行符刷新。但是当将标准输出重新定向到一个文件时，却得到printf输出行两次。其原因是，在fork之前调用了printf一次，当调用fork时，该行数据仍在缓存中，然后在父进程数据空间复制到子进程中时，该缓存数据也被复制到子进程中。于是那时父、子进程各自有了带该行内容的缓存。在exit之前的第二个printf将其数据添加到现存的缓存中。当每个进程终止时，其缓存中的内容被写到相应文件中。
实例 2:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int glob = 6;
int main()
{
int var;
int pid;
var = 88;
printf("father:\n");
printf("&glob = %p\n",&glob);
printf("&var = %p\n",&var);
printf("__________________________________\n");
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("fail to fork");
return -1;
}else
if(pid == 0)
{
printf("child var value not change\n:");
printf("&glob = %p\n",&glob);
printf("&var = %p\n",&var);
glob ++;
var ++;
printf("__________________________________\n");
printf("child var value change:\n");
printf("&glob = %p\n",&glob);
printf("&var = %p\n",&var);
}
exit(0);
}
运行结果如下:
从上面可以看出，根据copy-on-write的思想，在子进程中，改变父进程的数据时，会先 复制父进程的数据修然后再改，从而达到子进程对数据的修改不影响父进程。但是我们发现，复制的前后，其值的地址都是一样的。为什么呢？子进程拷贝的时候也拷贝了父进程的虚拟内存"页"，这样他们的虚拟地址都一样，但是对应不同的物理内存空间。
二、copy-on-write工作原理
假设进程A创建子进程B,之后进程A和进程B共享A的地址空间，同时该地址空间中的页面全部被标识为写保护。此时B若写address的页面，由于写保护的原因会引起写异常，在异常处理中，内核将address所在的那个写保护页面复制为新的页面，让B的address页表项指向该新的页面，新页面可写。而A的address页表项依然指向那个写保护的页面。然后当B在访问address时就会直接访问新的页面了，不会在访问到哪个写保护的页面。当A试图写address所在的页面时，由于写保护的原因此时也会引起异常，在异常处理中，内核如果发现该页面只有一个拥有进程，此种情况下也就是A,则直接对该页面取消写保护，此后当A再访问address时不会在有写保护错误了。如果此时A又创建子进程C,则该address所在的页面又被设置为写保护，拥有进程A和C,同时其他页面例如PAGEX依然维持写保护，只是拥有进程A、B和C。如果此时A访问PAGEX，则异常处理会创建一个新页面并将PAGEX中的内容复制到该页面，同时A相应 的pte指向该新页面。如果此时C也访问PAGEX，也会复制新页面并且让C对应的pte指向新页面。如果B再访问PAGEX，则由于此时PAGEX只有一个拥有进程B，故不再复制新页面，而是直接取消该页面的写保护，由于B的pte本来就是直接指向该页面，所以无需要在做其它工作。
三、exit和_exit
(1)正常终止:
(a)在main函数内执行return语句。这等效于调用exit。
(b)调用exit函数
(c)调用_exit系统调用函数
(2)异常终止:
(a)调用abort。它产生SIGABRT信号，所以是一种异常终止的一种特列。
(b)当进程接收到某个信号时。例如，进程越出其地址空间访问存储单元，或者除以0,内核就会为该进程产生相应的信号。
注意:不管进程如何终止，最后都会执行内核中的同一段代码。这段代码为相应进程关闭所有打开描述符，释放它所使用的存储器等。
exit和_exit的不同
_exit()函数的作用最为简单：直接进程停止运行，清除其使用的内存空间，并销毁其在内核中的各种数据结构;
exit()函数与_exit()函数最大的区别就在于exit()函数在调用exit系统调用之前要检查文件的打开情况，把文件缓冲区中的内容写回文件，就是"清理I/O"缓冲。
探究 1._exit()
//_exit(0) exit(0) return 0
编译运行结果:
从上面我们看到，test.txt的内容为空.为什么呢？因为标准I/O函数是带缓存的，进行fputs的时候是先向缓存中写的，只有当缓存满的时候才会刷新的缓冲区的。从以上我们发现，当进程退出时，执行_exit()函数并没有刷新缓冲区的数据，而是直接终止进程的。
探究2.exit()
编译运行结果:
从上面我们可以看到，当exit()函数结束进程的时候，对缓存进行了处理，把缓存的数据写到了磁盘文件中。
探究3.return
由读者自己完成，其实return语句用在main函数中，和exit是一样的。但是我们知道，return返回的值是给调用者的，它代表着一个函数的结束。
四、exec函数族
exec.c 调用exec其中的一个函数; gcc exec.c -o exec; ./exec
exec函数族提供了一种在进程中启动另一个程序执行的方法。它可以根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代原调用进程的数据段、代码段、和堆栈段。在执行完之后，原调用进程的内容除了进程号外，其他全部都被替换了。
可执行文件既可以是二进制文件，也可以是任何Linux下可执行的脚本文件。
何时使用？
当进程认为自己不能再为系统和用户做任何贡献了就可以调用exec函数族中的函数，让自己执行新的程序。
当前目录: 可执行程序A B(1,2,3)
如果某个进程想同时执行另一个程序，它就可以调用fork函数创建子进程，然后在子进程中调用任何一个exec函数。这样看起来就好像通过执行应用程序而产生了一个新进程一样。
execl("./B","B","1","2","3",NULL);
char *const envp[] = {"B","1","2","3",NULL}
execv("./B",envp);
注意：不管file,第一个参数必须是可执行文件的名字
可执行文件查找方式
表中的前四个函数的查找方式都是指定完整的文件目录路劲，而最后两个函数(以p结尾的函数)可以只给出文件名，系统会自动从环境变量"$PATH"所包含的路径中进行查找。
参数表传递方式
两种方式:一个一个列举和将所有参数通过指针数组传递
一函数名的第5个字母按来区分，字母"l"(list)的表示一个一个列举方式；字母"v"(vector)的表示将所有参数构造成指针数组传递,其语法为char *const argv[]
环境变量的使用
exec函数族可以默认使用系统的环境变量，也可以传入指定的环境变量。这里，以"e"(Envirment)结尾的两个函数execle、execve就可以在envp[]中传递当前进程所使用的环境变量。
使用的区别
可执行文件查找方式
参数表传递方式
环境变量的使用
案例一execl
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
printf("start to execl.\n");
if(execl("/bin/ls","ls",NULL) < 0)
{
perror("Fail to execl");
return -1;
}
printf("end of execl.\n");
return 0;
}
运行结果如下：
案例二、execlp
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
printf("start to execl.\n");
if(execlp("ls","ls","-l",NULL) < 0)
{
perror("Fail to execl");
return -1;
}
printf("end of execl.\n");
return 0;
}
运行结果：
案例三、execle
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
if(getenv("B") == NULL)
{
printf("fail to getenv B.\n");
}else{
printf("env B = %s.\n",getenv("B"));
}
if(getenv("C") == NULL)
{
printf("fail to getenv C.\n");
}else{
printf("env C = %s.\n",getenv("C"));
}
if(getenv("PATH") == NULL)
{
printf("fail to getenv PATH.\n");
}else{
printf("env PATH = %s.\n",getenv("PATH"));
}
return 0;
}
运行结果:
#include <unistd.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
printf("start to execle.\n");
char * const envp[] = {"B=hello",NULL};
if(execle("./A.out","A.out",NULL,envp) < 0)
{
perror("Fail to execl");
return -1;
}
printf("end of execl.\n");
return 0;
}
运行结果：
案例四:execv
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
char * const arg[] = {"ps", "-ef", NULL};
//if (execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL) < 0)
if (execv("/bin/ps" ,arg) < 0)
{
perror("execl");
exit(-1);
}
while (1);
return 0;
}
五、进程的创建vfork()函数
vfork与fork一样都创建一个子进程，但是它并不将父进程的地址空完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec(或exit)于是也就不会存、访该地址空间。不过在子进程调用exec或exit之前，它在父进程的空间中运行。
vfork和fork之间的另一个区别是:vfork保证子进程先运行，在它调用exec或exit之后 父进程才可能被调度运行。(如果在调用这两个函数之前子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁)
探究1.vfork()
编译运行:
因为我们知道vfork保证子进程先运行，子进程运行结束后，父进程才开始运行。所以，第一次打印的是子进程的打印的信息，可以看到var值变成了89。子进程结束后，父进程运行，父进程首先打印fork调用返回给他pid的值（就是子进程pid）。以上我们可以看出，vfork创建的子进程和父进程运行的地址空间相同(子进程改变了var 值，父进程中的var值也进行了改变)。
注意:如果子进程中执行的是exec函数，那就是典型的fork的copy-on-wirte。
五、wait和waitpid
wait函数:调用该函数使进程阻塞，直到任一个子进程结束或者是该进程接收到一个信号为止。如果该进程没有子进程或者其子进程已经结束，wait函数会立即返回。
waitpid函数:功能和wait函数类似。可以指定等待某个子进程结束以及等待的方式(阻塞或非阻塞)。
wait函数
#include <sys/types.h>
#include <sys/waith.h>
pid_t wait(int *status);
函数参数:
status是一个整型指针，指向的对象用来保存子进程退出时的状态。
A.status若为空，表示忽略子进程退出时的状态
B.status若不为空，表示保存子进程退出时的状态
子进程的结束状态可由Linux中一些特定的宏来测定。
案例一、
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int pid;
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
return -1;
}else if(pid == 0){
printf("child exit now.\n");
exit(0);
}else{
while(1);
}
exit(0);
}
运行结果：
从以上可以看出，子进程正常退出时，处于僵尸态。这个时候子进程的pid,以及内核栈资源并没有释放，这样是不合理的，我们应该避免僵尸进程。如果父进程先退出呢，子进程又会怎样？
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int pid;
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
return -1;
}else if(pid == 0){
printf("child running now - pid : %d.\n",getpid());
while(1);
}else{
getchar();
printf("Father exit now - pid : %d.\n",getpid());
exit(0);
}
}
从上面可以看出，如果父进程先退出，则子进程的父进程的ID号变为1，也就是说当一个子进程的父进程退出时，这个子进程会被init进程自动收养。
案例二、利用wait等待回收处于僵尸态的子进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int pid;
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
return -1;
}else if(pid == 0){
printf("child runing now - pid : %d.\n",getpid());
getchar();
printf("child exiting now - pid : %d.\n",getpid());
exit(0);
}else{
printf("Father wait zombie now - pid : %d.\n",getpid());
wait(NULL);
printf("Father exiting now - pid : %d.\n",getpid());
exit(0);
}
}
没有输入字符前:
输入字符后:
此时我们没有发现僵尸进程，当子进程退出时，父进程的wait回收了子进程未释放的资源。
案例三、获取进程退出时的状态
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int pid;
int status;
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
printf("create child process : %d.\n",getpid());
printf("child process : %d calling exit(7).\n",getpid());
exit(7);
}else{
if((pid = fork()) < 0 ){
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
printf("create child process : %d.\n",getpid());
while(1);
}else{
while((pid = wait(&status)) != -1)
{
if(WIFEXITED(status))
{
printf("child process %d is normal exit,the value is %d.\n",pid,WEXITSTATUS(status));
}else if(WIFSIGNALED(status)){
printf("child process %d is exit by signal,the signal num is %d.\n",pid,WTERMSIG(status));
}else{
printf("Not know.\n");
}
}
}
}
printf("All child process is exit,father is exit.\n");
exit(0);
}
给进程15494发个信号
程序运行结果:
从以上探究可以知道，每当子进程结束后，wait函数就会返回哪个子进程结束的pid。如果没有子进程存在,wait函数就返回-1。
函数返回值:
成功:子进程的进程号
失败:-1
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int options);
参数:
1.在父进程中创建两个子进程（A B）
2.A进程打印"child process %d exit"，调用exit(2)，结束
3.B进程一直运行
注意：父进程调用while(waitpid(-1,&status,WUNTRACED) != -1 )
status:同wait
options:
WNOHANG,若由pid指定的子进程并不立即可用，则waitpid不阻塞，此时返回值为0
WUNTRACED,若某实现支持作业控制，则由pid指定的任一子进程状态已暂停，且其状态自暂停以来还没报告过，则返回其状态。
0:同wait,阻塞父进程，等待子进程退出。
返回值
正常:结束的子进程的进程号
使用选项WNOHANG且没有子进程结束时:0
调用出错:-1
案例一、
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int pid;
int status;
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
printf("create child process : %d.\n",getpid());
printf("child process : %d calling exit(7).\n",getpid());
exit(7);
}else{
if((pid = fork()) < 0 ){
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
printf("create child process : %d.\n",getpid());
while(1);
}else{
while((pid = wait(&status)) != -1)
{
if(WIFEXITED(status))
{
printf("child process %d is normal exit,the value is %d.\n",pid,WEXITSTATUS(status));
}else if(WIFSIGNALED(status)){
printf("child process %d is exit by signal,the signal num is %d.\n",pid,WTERMSIG(status));
}else{
printf("Not know.\n");
}
}
}
}
printf("All child process is exit,father is exit.\n");
exit(0);
}
程序运行结果：
使用ps -aux结果
从以上可以看出，子进程15783退出时，父进程并没有回收它的资源，此时可以看到它处于僵尸态。
由于父进程调用waitpid等待子进程15784退出，此时这个进程还没退出，看可以看到父进程处于可中断的睡眠状态。
我们给子进程15784发个信号，在看看结果
程序运行结果：
可以看到当waitpid指定等待的进程退出时，waitpid立即返回，此时父进程退出。
案例二、
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int pid;
int status;
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
printf("create child process : %d.\n",getpid());
printf("child process : %d calling exit(7).\n",getpid());
exit(7);
}else{
if((pid = fork()) < 0 ){
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
printf("create child process : %d.\n",getpid());
while(1);
}else{
sleep(2);
printf("Father wait child %d exit.\n",pid);
while((pid = waitpid(pid,NULL,WNOHANG)))
{
printf("The process %d is exit.\n",pid);
}
printf("The process %d is exit.\n",pid);
}
}
exit(0);
}
从上面探究我们可以看出，如果有子进程处于僵尸态，waitpid(pid,NULL,WNOHANG)立即处理后返回，如果没有子进程处于僵尸态，此时waitpid(pid,NULL,WNOHANG)也会立即返回，而不阻塞，此时返回值为0。
案例探究三、
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
int pid;
int status;
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
printf("create child process : %d.\n",getpid());
printf("child process in proces group %d.\n",getpgid(0));
printf("child process : %d calling exit(7).\n",getpid());
exit(7);
}else{
if((pid = fork()) < 0 ){
perror("Fail to fork");
exit(-1);
}else if(pid == 0){
sleep(3);
printf("create child process : %d.\n",getpid());
setpgid(0,0); //让子进程属于以自己ID作为组的进程组
printf("child process in proces group %d.\n",getpgid(0));
printf("child process : %d calling exit(6).\n",getpid());
}else{
while(pid = waitpid(0,NULL,0))
{
printf("Father wait the process %d is exit.\n",pid);
}
}
}
exit(0);
}
运行结果：
当在父进中创建子进程时，父进程和子进程都在以父进程ID号为组的进程组。以上代码中，有一个子进程改变了自己所在的进程组.
此时waitpid(0,NULL,0);只能处理以父进程ID为组的进程组中的进程,可以看到第一个子进程结束后waitpid函数回收了它未释放的资源，而第二个子进程则处于僵尸态
from：http://blog.chinaunix.net/uid-26833883-id-3222794.html
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