本节重点：

学习进程创建,fork/vfork

学习到进程等待

学习到进程程序替换, 微型shell，重新认识shell运行原理

学习到进程终止,认识$?

一、进程创建

1.1.fork函数初识

在linux中fork函数时非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

分配新的内存块和内核数据结构给子进程

将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程

添加子进程到系统进程列表当中

fork返回，开始调度器调度

当一个进程调用fork之后，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。

int main( void )
{
    pid_t pid;
    printf("Before: pid is %d\n", getpid());
    if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);
    printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
    sleep(1);
    return 0;
}
运行结果：
[root@localhost linux]# ./a.out
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677
After:pid is 43677, fork return 0

这里看到了三行输出，一行before，两行after。进程43676先打印before消息，然后它有打印after。另一个after 消息有43677打印的。注意到进程43677没有打印before，为什么呢？如下图所示：

所以，fork之前父进程独立执行，此时的一行before是父进程执行的，fork之后，父子两个执行流分别执行第一个after同样是父进程执行的，但是第二个after是子进程执行的。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

1.2.fork函数返回值

子进程返回0，父进程返回的是子进程的pid。

1.3.写时拷贝

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。具体见下图：

1.为什么要有写时拷贝？

写时拷贝（Copy-on-Write，简称COW）是一种优化策略，通常用于管理共享数据的副本。它的主要目的是在减少资源消耗的同时提高性能。写时拷贝的工作原理是延迟对象的复制，只有在有写操作发生时才执行实际的拷贝操作。

以下是一些使用写时拷贝的常见场景和优势：

节约内存：写时拷贝允许多个进程或线程共享同一份数据副本，而不会立即复制整个数据结构。只有在某个进程试图修改数据时，才会为该进程创建数据的独立副本。这样可以在一定程度上减少内存的使用。

提高性能：写时拷贝可以减少对共享数据的不必要复制，从而提高程序的性能。因为只有在写入操作时才进行实际的拷贝，读取操作则可以在多个进程之间共享相同的数据副本，减少了不必要的开销。

并发性：写时拷贝使得多个进程可以同时读取相同的数据，而无需互斥地访问。只有在有写入操作时，才需要执行复制操作，并在新副本上执行写入。这有助于提高并发性能。

延迟复制：写时拷贝的特点是在需要修改数据时才执行复制，而不是在创建副本时。这样可以延迟复制操作，避免在数据被多个进程只读访问时进行不必要的复制。

2.创建子进程的时候，为什么不直接把父进程的数据直接给子进程呢？

父进程的数据可能很大，直接复制给子进程可能会产生大量的开销。而此时子进程又不会使用父进程的数据，此时拷贝就会造成大量消耗。

3.写时拷贝先开辟空间然后再把数据拷贝过去，我已经要开始写入的，直接把空间给我不就行了，反正你拷贝的数据待会我也要修改，还不如不用拷贝，直接叫写时申请不更好吗？

写时拷贝并不是将父进程所有的数据都会进行覆盖，有可能父进程的某些原始数据子进程还会使用到，如果直接只给空间，此时可能无法使用父进程某些数据。

1.4.页表

页表除了虚拟地址和物理地址项，还存在权限一项。

页表的权限字段用于控制对虚拟页面的访问权限，确保系统的安全性和稳定性。这些权限通常包括以下几种：

读取权限（Read）：允许程序读取虚拟页面中的内容。如果一个进程尝试在没有读取权限的情况下读取该页面，会触发访问异常，通常导致程序终止或引发其他异常。
写入权限（Write）：允许程序修改虚拟页面中的内容。如果一个进程尝试在没有写入权限的情况下写入该页面，同样会触发异常。写权限的存在有助于保护内存不被未经授权的写操作破坏。
执行权限（Execute）：允许程序在虚拟页面上执行指令。这是为了防止一些安全漏洞，如缓冲区溢出攻击，通过禁止在某些内存区域执行代码，可以增加系统的安全性。
访问权限（Access）：这是一个综合了读、写、执行权限的控制。有时候，页表中的权限字段可能被设计为一个比特位组合，用于同时表示多种权限。

这些权限可以在页表的每一项中进行设置，以实现对虚拟内存的灵活控制。操作系统可以在不同的情况下设置不同的权限，以保障系统的稳定性和安全性。例如，操作系统可能会将一些关键的系统页面设置为只读或不可执行，以防止用户进程对其进行修改或执行。我们来看一段代码

#include <stdio.h>
int main()
{
    const char* str = "hello world!";
    *str = 'H';//将'h'改为'H',error
    return 0;
}

上面的代码我们在C语言阶段就学习过，上面的代码是运行错误的，上面的常量字符串是具有常性的，它在进程地址空间中的字符常量区，不能对常量数据做任何修改。常量区的代码为什么能保存常量行，为什么不能修改？因为上面代码中的str保存的是'hello world!'的起始地址，前面我们也提到过，它就是我们的虚拟的地址，当我们将'h'改为'H'时，此时就注定会发生从虚拟地址到物理地址的转化，们将'h'改为'H'就是写入的操作，此时我们页表全向项必须具有'w'权限，如果此时我们没有'w'权限，页表就不会形成映射关系，所以写入失败，所以页表有权限，常量区一般都是被映射到只读的物理内存页，于是他就有了语言当中的常量字符串是不能修改的结论的。

写时拷贝是如何做到的呢？当我们要进行写时拷贝之前，此时父子进程的数据段权限都是只读的，当我们要进行写时拷贝的时候，此时写入就会发生错误，此时就会出现缺页中断，然后操作系统就会删掉父子进程的数据段的只读权限，此时就能写入数据，并且重新形成映射关系，待写入操作完成之后，此时再回复父子进程的数据段的只读权限。

1.5.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。

1.6.fork调用失败的原因

系统中有太多的进程
实际用户的进程数超过了限制

二、进程终止

2.1.进程退出场景

我们先来看一段代码

#include <stdio.h>
int main()
{
    int i = 1;
    int j = 2;
    int k = i + j;
    return 0;
}

我上面的代码如何判断程序是正常结束的呢？我们的程序没有打印结果，但是我们可以通过main函数的返回值进行判断，返回值为0，表示进程执行成功，非0，表示失败，所以main函数的返回值，叫做进程的退出码。一旦失败，我们就需要找到失败的原因，通过用不同的返回值数字，表示不同的失败原因。我们通过echo $?查看最近执行的一个程序的退出码。

为什么后两次的退出码是0呢？因为后两次运行的程序不再是我们的代码，而是echo $?，它的退出码是0，所以退出码的工作就是告诉父进程或者bash，我运行成功了或者失败了，但是我们作为学习者，我们肯定不仅仅想知道错误码，我们更想知道程序失败的原因，此时我们就更希望这个错误码能转化为错误描述，这个错误描述我们可以使用语言和系统自带的方法，进行转化，也可以自定义！

1.使用语言和系统自带的方法，进行转化

我们来使用一下，看看结果。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < 200; i++)
    {
        printf("%d:%s\n",i,strerror(i));
    }
    return 0;
}

我们再来看一下运行结果：

从上面的图片我们可以知道，Linux中一共只有134个错误码(0-133)，然后我们再看看错误码和错误信息对应。

2.自定义！

运行结果：

main函数return返回的时候，表示进程退出，return 退出码，可以设置退出码的字符串含义。而其他函数的返回值，只仅仅表示该函数结束，仅仅表示函数调用完毕！那么怎么看一个函数是否失败和失败的原因呢？

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
int main()
{
    FILE* fp = fopen("1.txt","r");
    printf("%d:%s\n",errno,strerror(errno));
    return errno;
}

运行结果：

函数也具有和进程退出一样的具体的退出原因，我们把这个叫做错误码，可以通过errno获得。errno 是一个全局变量，通常用于在 C 语言中指示函数调用失败时的错误码。它的声明通常包含在头文件中。在 C 语言中，当一些函数调用失败时，它们通常会设置 errno 来指示错误的类型。errno 的值通常是一个整数，代表一种特定的错误。可以通过包含头文件，并查看 errno 的值来获取函数调用失败的原因。在 C 语言中，errno 是一个全局变量，通常由 C 标准库或底层系统调用设置。因此，如果你自己编写的函数没有直接调用标准库函数或底层系统调用，它可能无法直接使用 errno 获取错误信息。

总结进程退出的场景：

进程代码执行完，结果是正确的。

进程代码执行完，结果是错误的。

进程代码没有执行完，进程出异常了（本质是进程收到了异常信号 kill -l查看信号，每个信号都有不用的编号，不同的信号编号表明异常的原因）。

任何进程最终的执行情况，我们可以使用两个数字表明具体的执行情况：signumber和exit_code。

signumber	exit_code	进程状态
0	0	进程代码执行完，结果是正确的
0	1	进程代码执行完，结果是错误的

进程代码没有执行完，进程出异常了（此时结果无意义）

2.2.进程常见退出方法

2.2.1.正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

1. 从main返回（上面提到过，这里就不多解释了）

return退出 return是一种更常见的退出进程方法。执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数。

2. 调用exit（3号手册 - C语言库函数）

我们来使用一下

运行结果：

那我们在其他函数调用exit函数接口，我们上面程序的死循环还能终止吗？

运行结果：

exit可以终止当前正在运行的进程，exit的参数就是退出码，在我们的进程代码中，任何地方调用exit接口，都表示进程退出！

3. _exit（2号手册 - 系统调用）

我们来使用一下

运行结果：

我们发现_exit功能和我们上面的exit一样，但是他们之间是有区别的。

所以exit会刷新所有标准 I/O 流的缓冲区，而_exit不能刷新所有标准 I/O 流的缓冲区。我们的进程是由操作系统终止的，但是这个终止是用户想要的，所以操作系统就必须为用户提供系统调用_exit，而一个用户想要终止进程，就必须调用系统调用接口，所以我们可以肯定的是exit(库函数)的底层实现是封装了_exit(系统调用)的。所以这些缓冲区是在用户空间（由标准 C 库实现）管理的，而不是在操作系统内核中。如果这些缓冲区是在操作系统内核，那么exit(库函数)和_exit(系统调用)都会刷新缓冲区的，操作系统不会做任何浪费空间，降低效率的事情，如果_exit不会刷新，那么操作系统就根本不会写入，如果写入到操作系统，操作系统一定会刷新缓冲区，事实上，并没有刷新，说明这些缓冲区肯定不是在操作系统内核中。那进程退出的时候，操作系统做了什么呢？释放进程地址空间，释放页表，释放代码和数据空间，但是进程的PCB不能释放，因为我们要获取进程的退出信息。

_exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255。

exit函数

#include <unistd.h>
void exit(int status);
//exit最后也会调用_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

2.2.2.异常退出：

ctrl + c，信号终止

三、进程等待

3.1.进程等待必要性

之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。
另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。
父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息（exit_code和exit_signal）。

3.2.进程等待的方法

为什么要等待呢？

1.父进程通过wait方式，回收子进程的资源（必然必须）

2.通过wait方式，获取子进程的退出信息（可选的）

【打造你自己的Shell：编写定制化命令行体验】(二)：https://developer.aliyun.com/article/1425817

【打造你自己的Shell：编写定制化命令行体验】(一)

本节重点：

一、进程创建

1.1.fork函数初识

1.2.fork函数返回值

1.3.写时拷贝

1.4.页表

1.5.fork常规用法

1.6.fork调用失败的原因

二、进程终止

2.1.进程退出场景

2.2.进程常见退出方法

2.2.1.正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

2.2.2.异常退出：

三、进程等待

3.1.进程等待必要性

3.2.进程等待的方法

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