【Linux】进程二 （PCB fork/vfork wait/waitpid exit/_exit exec函数族 环境变量）
·在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct.
·task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM（内存）里包含着进程的信息
3.task_struct内容分类·标示符：描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程
·状态：任务状态，退出代码，退出信号
·优先级：相对于其他进程的优先级
·程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址
·内存指针：包括程序代码和进程相关的指针，还有和其他进程共享的指针
·上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据
·I/O状态信息:包括显示的I/O请求，分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表
·记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等
给张图方便理解：
在Linux系统内，创建子进程的方法是使用系统调用fork()函数。fork()函数是Linux系统内一个非常重要的函数，它与我们之前学过的函数有一个显著的区别：fork()函数调用一次却会得到两个返回值。
fork()函数所需头文件：#include
#include
函数原型： pid_t fork()
函数返回值：
== 0 子进程
>0 父进程，返回值为创建出的子进程的PID
<0 出错
fork()函数用于从一个已经存在的进程内创建一个新的进程，新的进程称为“子进程”，相应地称创建子进程的进程为“父进程”。使用fork()函数得到的子进程是父进程的复制品，子进程完全复制了父进程的资源，包括进程上下文、代码区、数据区、堆区、栈区、内存信息、打开文件的文件描述符、信号处理函数、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制和控制终端等信息，而子进程与父进程的区别有进程号、资源使用情况和计时器等。
#include
#include
#include
int main()
{
printf("linux66\n");
pid_t ret = fork();
if(ret < 0)
{
perror("失败");
return 0;
}
else if(ret == 0 )
{
//child
printf("i am child :[%d] - [%d] \n", getpid(),getppid());
}
else
{
printf("i am father :[%d] - [%d] \n", getpid(),getppid());
}
return 0 ;
}
在使用fork()函数创建子进程的时候，要有一个概念：在调用fork()函数前是一个进程在执行这段代码，而调用fork()函数后就变成了两个进程在执行这段代码。两个进程所执行的代码完全相同，都会执行接下来的if-else判断语句块。
当子进程从父进程内复制后，父进程与子进程内都有一个"pid"变量：在父进程中，fork()函数会将子进程的PID返回给父进程，即父进程的pid变量内存储的是一个大于0的整数；而在子进程中，fork()函数会返回0，即子进程的pid变量内存储的是0；如果创建进程出现错误，则会返回-1，不会创建子进程。
fork()函数一般不会返回错误，若fork()函数返回错误，则可能是当前系统内进程已经达到上限，或者内存不足。
注意：父子进程的运行先后顺序是完全随机的（抢占式执行），也就是说在使用fork()函数的默认情况下，无法控制父进程在子进程前进行还是子进程在父进程前进行。
vfork()函数
所需头文件：#include
#include
函数原型：pid_t vfork()
返回值：
== 0 子进程
>0 父进程，返回值为创建出的子进程的PID
<0 出错
vfork()函数功能与fork()函数功能类似不过更加彻底：内核不再给子进程创建虚拟空间，直接让子进程共享父进程的虚拟空间。当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段创建虚拟空间并分配物理空间。在vfork()函数创建子进程后父进程会阻塞，保证子进程先行运行。
vfork()函数创建的子进程会与父进程（在调用exec函数族函数或exit()函数前）共用地址空间，此时子进程如果使用变量则会直接修改父进程的变量值。因此，vfork()函数创建的子进程可能会对父进程产生干扰。另外，如果子进程未调用exec函数族函数或exit()函数，则父子进程会出现死锁现象。
fork()函数与vfork()函数的主要区别如下：
1.vfork()函数保证子进程先行运行，在子进程调度exec函数族函数或者exit()函数后父进程才会被调度运行。如果子进程需要依赖父进程的进一步动作，则会产生死锁
2.fork()函数需要拷贝父进程的进程环境，而vfork()函数则不需要完全拷贝父进程的进程环境，在子进程调用exec函数族函数或者exit()函数之前，子进程与父进程共享进程环境（此时子进程相当于线程），父进程阻塞等待。
三、进程状态&环境变量
1、进程状态：
R：运行状态
S：睡眠状态
D：磁盘睡眠状态
T：暂停状态
Z：僵尸状态（僵尸进程）
孤儿进程：
孤儿进程不是进程状态,而是一种进程的种类名称
孤儿进程产生原因：是由于父进程先于子进程退出，导致子进程需要将自己的退出状态信息返回给 f进程。
这个进程通常是操作系统当中的1号进程,也称之为Init程。Init程本身就会创建许多进程,本身Init程创建的子进程我们不能称他们为孤儿进程
2、环境变量
·环境变量是为了让我们的当前的操作系统执行的更加愉快
·常见的环境变量：
PATH:查看可执行程序的环境变量
HOME :保存是当前用户的家目录的环境变量
SHELL :保存当前所使用的shell的环境变量
LD_LIBRARY_PATH：程序运行时，库文件的搜索路径的环境变量
LIBRARY_PATH ：程序编译的时候，库文件的搜索路径的环境变量
·常见的命令：
echo $[环境变量名称]：查看特定的环境变零值
export（在命令行中修改，只在当前bash中生效）
export[环境变量名称]=$[环境变量名称]：[新增的环境变量]
3.环境变量的组织方式
4.使用代码获取环境变量
1.从main函数的参数中获取
#include
int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{
int i = 0;
for(; i < argc; i++)
{
printf("argv[%d] = [%s]\n", i, argv[i]);
}
for(i = 0; env[i]; i++)
{
printf("env[%d] = [%s]\n", i, env[i]);
}
return 0;
}
argc:命令行参数的个数
argv[0]:命令行参数
env[0]:当前用户的环境变量
2.从environ中获取
#include
#include
int main()
{
extern char** environ;
for(int i = 0; environ[i]; i++)
{
printf("environ[%d] = [%s]\n", i, environ[i]);
}
return 0;
}
3.使用getenv函数获取环境变量
#include
#include
int main()
{
char* path = getenv("PATH");
printf("path = [%s]\n", path);
return 0;
}
四、进程虚拟地址空间
写时拷贝：当父进程定义了一个全局变量，fork出来一个子进程，当自己成发生对该全局变量发生修改的时候，操作系统会重新开辟一段空间来保存子进程更改后的值，即子进程会更改自己的页表映射关系
五、进程终止（exit&_exit）
当我们需要结束一个进程的时候，我们可以使用exit()函数或_exit()函数来终止该进程。当程序运行到exit()函数或_exit()函数时，进程会无条件停止剩下的所有操作，并进行清理工作，最终将进程停止。
exit()函数
所需头文件：#include
函数原型： void exit(int status)
函数参数：status表示让进程结束时的状态（会由主进程的wait();负责接收这个返回值【也可以不接收】-->类似函数的返回值），默认使用0表示正常结
_exit()函数
所需头文件：#include
函数原型：void _exit(int status)
函数参数： status表示让进程结束时的状态（会由主进程的wait();负责接收这个返回值【也可以不接收】-->类似函数的返回值），默认使用0表示正常结
exit()函数与_exit()函数用法的区别的：
_exit()函数直接使进程停止运行，当调用_exit()函数时，内核会清除该进程的内存空间，并清除其在内核中的各种数据。
exit()函数则在_exit()函数的基础上进行了升级，在退出进程之间增加了若干工序。exit()函数在终止进程之前会检测进程打开了哪些文件，并将缓冲区内容写回文件。
exit()函数与_exit()函数最主要的区别就在于是否会将缓冲区数据保留并写回。_exit()函数不会保留缓冲区数据，直接将缓冲区数据丢弃，直接终止进程运行；而exit()函数会将缓冲区内数据写回，待缓冲区清空后再终止进程运行。
练习：exit与_exit
#include
#include
//使用exit（）函数终止进程
int main()
{
printf("This is the content in buffer");
exit(0);
}
//使用_exit()函数终止进程
#include
#include
int main()
{
printf("This is the content in buffer");
_exit(0);
}
练习1会输出"This is the content in buffer"，而练习2不会输出
六、进程等待（wait&waitpid）
目的：进程等待就是为了防止僵尸进程的产生
使用wait()函数与waitpid()函数让父进程回收子进程的系统资源，两个函数的功能大致类似，waitpid()函数的功能要比wait()函数的功能更多。
wait()函数
所需头文件：#include
函数原型： pid_t wait(int *status)
函数参数： status 保存子进程结束时的状态（由exit();返回的值）。使用地址传递，父进程获得该变量。若无需获得状态，则参数设置为NULL
返回值： 成功：已回收的子进程的PID
失败：-1
waitpid()函数
所需头文件： #include
函数原型： pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)
函数参数：
1. pid pid是一个整数，具体的数值含义为：
pid>0 回收PID等于参数pid的子进程
pid==-1 回收任何一个子进程。此时同wait()
pid==0 回收其组ID等于调用进程的组ID的任一子进程
pid<-1 回收其组ID等于pid的绝对值的任一子进程
2. status 保存子进程结束时的状态（由exit();返回的值）。使用地址传递，父进程获得该变量。若无需获得状态，则参数设置为NULL
3. options
0：同wait()，此时父进程会阻塞等待子进程退出
WNOHANG：若指定的进程未结束，则立即返回0（不会等待子进程结束）
返回值：
>0 已经结束运行的子进程号
0 使用WNOHANG选项且子进程未退出
-1 错误
wait与waitpid的区别：
当进程结束时，该进程会向它的父进程报告。wait()函数用于使父进程阻塞，直到父进程接收到一个它的子进程已经结束的信号为止。如果该进程没有子进程或所有子进程都已结束，则wait()函数会立即返回-1。
waitpid()函数的功能与wait()函数一样，不过waitpid()函数有若干选项，所以功能也比wait()函数更加强大。实际上，wait()函数只是waitpid()函数的一个特例而已，Linux内核总是调用waitpid()函数完成相应的功能。
阻塞与非阻塞：
阻塞：进程或线程执行到这函数时必须等待某个事件发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立刻返回
非阻塞：进程或线程执行函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况。如果事情发生则与阻塞的方式相同，若事情没有发生，则返回一个值，告知事情未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高
练习1：使用wait()函数，让父进程在子进程结束后再运行
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid = fork();
if(pid==-1)
{
perror("can not fork");
return -1;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("This is Child process\n");
printf("Child process ID is %d\n",getpid());
printf("Child process will exit\n");
}
else//父进程
{
pid = wait(NULL);//等待子进程结束
printf("This is Parent process\n");
printf("Child process %d is over\n",pid);
}
return 0;
}
练习2：使用waitpid()函数，让父进程回收子进程。参数使用WNOHANG使父进程不会阻塞，若子进程暂时未退出，则父进程在1s后再次尝试回收子进程
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid<0)
{
perror("cannot fork");
return -1;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("This is Child process\n");
sleep(5);//模拟子进程运行5s
exit(0);//子进程正常退出
}
else//父进程
{
int ret;
do//循环直至子进程退出为止
{
ret = waitpid(pid,NULL,WNOHANG);//回收子进程，使用WNOHANG选项参数
if(ret==0)
{
printf("The Child process is running, can't be exited\n");
sleep(1);//1秒后再次尝试
}
}while(ret==0);
if(pid==ret)//如果检测到子进程退出
{
printf("Child process exited\n");
}
else
{
printf("Some error occured\n");
}
}
return 0;
}
七、进程程序替换（exec函数族）
所需头文件：#include
函数原型：
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[])
execl(完整的路径名，列表……)；
execlp(文件名，列表……)；
execle(完整的路径，列表……，环境变量的向量表)
execv(完整的路径名，向量表)；
execvp(文件名，向量表)；
execve(完整的路径，向量表，环境变量的向量表)
函数参数：
path：文件路径，使用该参数需要提供完整的文件路径
file：文件名，使用该参数无需提供完整的文件路径，终端会自动根据$PATH的值查找文件路径
arg：以逐个列举方式传递参数
argv：以指针数组方式传递参数
envp：环境变量数组
返回值： -1（通常情况下无返回值，当函数调用出错才有返回值-1）
这6个函数的函数功能类似，但是在使用语法规则上有细微区别。我们可以看出，其实exec函数族的函数都是exec+后缀来命名的，具体的区别如下：
区别1：参数传递方式（函数名含有l还是v）
exec函数族的函数传参方式有两种：逐个列举或指针数组。
若函数名内含有字母'l'（表示单词list），则表示该函数是以逐个列举的方式传参，每个成员使用逗号分隔，其类型为const char *arg，成员参数列表使用NULL结尾
若函数名内含有字母'v'（表示单词vector），则表示该函数是以指针数组的方式传参，其类型为char *const argv[]，命令参数列表使用NULL结尾
区别2：查找可执行文件方式（函数名是否有p）
我们可以看到这几个函数的形参有些为path，而有些为file。其中：
若函数名内没有字母'p'，则形参为path，表示我们在调用该函数时需要提供可执行程序的完整路径信息
若函数名内含有字母'p'，则形参为file，表示我们在调用该函数时只需给出文件名，系统会自动按照环境变量$PATH的内容来寻找可执行程序
区别3：是否指定环境变量（函数名是否有e）
exec可以使用默认的环境变量，也可以给函数传入具体的环境变量。其中：
若函数名内没有字母'e'，则使用系统当前环境变量
若函数名内含有字母'e'（表示单词environment），则可以通过形参envp[]传入当前进程使用的环境变量
exec函数族简单命名规则如下：
l 接收以逗号为分隔的参数列表，列表以NULL作为结束标志
v 接收一个以NULL结尾的字符串数组的指针
p 提供文件的完整的路径信息 或 通过$PATH查找文件
e 使用系统当前环境变量 或 通过envp[]传递新的环境变量
这6个exec函数族的函数，execve()函数属于系统调用函数，其余5个函数属于库函数。
练习1：使用execl()函数
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid = fork();
if(pid < 0 )
{
perror("cannot fork");
return 0;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("i am child \n");
if(execl("/bin/ps","ps","-ef",NULL)<0)//子进程执行ps -ef，注意参数的写法，且需要使用NULL结尾
{
perror("cannot exec ps");
}
}
}
else//父进程
{
sleep(1);//父进程延时1s，让子进程先运行
printf("i am father \n");
}
return 0;
}
在调用exec函数族的函数时，一定要加上错误判断语句。当exec函数族函数执行失败时，返回值为-1，并且报告给内核错误码，我们可以通过perror将这个错误码的对应错误信息输出。常见的exec函数族函数执行失败的原因有：
1.找不到文件或路径
2.参数列表arg、数组argv和环境变量数组列表envp未使用NULL指定结尾
3.该文件没有可执行权限
练习2：使用execlp()
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid==-1)
{
perror("cannot fork");
return -1;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("This is Child process\n");
if(execlp("ps","ps","-ef",NULL)<0)//第一个参数只需要写ps即可，系统会根据环境变量自行寻找ps程序的位置
{
perror("cannot exec ps");
}
}
else//父进程
{
printf("This is Parent process\n");
sleep(1);//父进程延时1s，让子进程先运行
}
return 0;
}
练习3：使用execvp()函数
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid;
char *arg[]={"ps","-ef",NULL};//设定参数向量表，注意使用NULL结尾
pid = fork();
if(pid==-1)
{
perror("cannot fork");
return -1;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("This is Child process\n");
if(execvp("ps",arg)<0)//注意该函数的参数与execlp()函数的区别
{
perror("cannot exec ps");
}
}
else//父进程
{
printf("This is Parent process\n");
sleep(1);//父进程延时1s，让子进程先运行
}
return 0;
}
练习4:使用execle()函数将一个新的环境变量添加到子进程中，并使用env命令查看
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid;
char *envp[]={"PATH=/tmp","USER=liyuge",NULL};//设定新的环境变量，注意使用NULL结尾
pid = fork();
if(pid==-1)
{
perror("cannot fork");
return -1;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("This is Child process\n");
if(execle("/usr/bin/env","env",NULL,envp)<0)
{
perror("cannot exec env");
}
}
else//父进程
{
printf("This is Parent process\n");
sleep(1);//父进程延时1s，让子进程先运行
}
return 0;
}
练习5：使用execve()函数
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid;
char *arg[]={"env",NULL};//设定参数向量表，注意使用NULL结尾
char *envp[]={"PATH=/tmp","USER=liyuge",NULL};//设定新的环境变量，注意使用NULL结尾
pid = fork();
if(pid==-1)
{
perror("cannot fork");
return -1;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("This is Child process\n");
if(execve("/usr/bin/env",arg,envp)<0)
{
perror("cannot exec env");
}
}
else//父进程
{
printf("This is Parent process\n");
sleep(1);//父进程延时1s，让子进程先运行
}
return 0;
}
练习6：使用execl函数族函数，在子进程内执行自己编译的可执行程序a.out文件
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid==-1)
{
perror("cannot fork");
return -1;
}
else if(pid==0)//子进程
{
printf("This is Child process\n");
if(execl("/home/linux/a.out","./a.out",NULL)<0)//使用execl()函数
{
perror("cannot exec a.out");
}
}
else//父进程
{
printf("This is Parent process\n");
sleep(1);//父进程延时1s，让子进程先运行
}
return 0;
}
作者：海的早晨
