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程序创建进程
程序：指令和数据的集合，一般作为目标文件保存在磁盘中。
进程：程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。
可执行程序位于磁盘中，需要将静态程序加载到内存生成动态的进程，CPU才可以不停地取指执行。程序在硬盘中主要包含代码(code)及静态数据(static data)，而相比之下，进程似乎多了堆(heap)和(stack)。不止如此，每个进程还拥有自己的身份证——进程控制块。这些是怎么来的呢？下面将从虚拟地址空间开始逐一阐明。
1. 虚拟地址空间
虚拟内存：内存管理的一种方式， 磁盘上划分出一块空间由操作系统管理，物理内存耗尽时可以充当物理内存来使用。虚拟内存可以通过页表（page table）映射到物理内存。
虚拟地址空间：在多任务操作系统中，每个进程都运行在属于自己的内存沙盘中，这个沙盘就是虚拟地址空间（virtual address space）。虚拟地址空间由内核空间（kernel space）和用户空间（user space）两部分组成。
2.进程控制块
操作系统在创建进程时会在内核空间配备一个进程控制块（PCB），
包含描述进程当前情况及管理进程全部信息的数据结构。在Linux操作系统中的进程控制块实际是一个task_struct结构体,放在sched.h，以下简要介绍。
(1) 进程状态(process state)：进程的常见运行状态包括就绪(Ready)、阻塞(Blocked)及运行(Running)。
enum proc_state { READY, RUNNING, READY };
就绪(Ready)：进程拥有运行所需的所有资源，等待分配CPU。
运行(Running)：进程运行在CPU上，即CPU正在运行该进程包含的指令。
阻塞(Blocked)/等待(Waiting)：进程在运行时发生CPU以外事件的请求（如I/O请求）从而放弃CPU使用权。
Simulation Homework: 模拟进程状态转换
(2) 进程标识符(process identifier/number)：描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。
int pid; // Process ID
(3) 程序计数器(program counter)及寄存器信息(registers)：进程切换时的入口地址及需要保存的信息
// the registers xv6 will save and restore
// to stop and subsequently restart a process
struct context {
int eip; // 程序计数器(PC),存放下一个CPU指令存放的内存地址
int ebx; // 基址寄存器, 在内存寻址时存放基地址
int ecx; // 计数器(counter),loop循环的内定计数器
int edx; // 用来放整数除法产生的余数
int esi; // 源变址寄存器
int edi; // 目的变址寄存器
int esp; // 栈指针寄存器
int ebp; // 基址指针寄存器
};
(4)内存限制(memory limits)
char *mem; // Start of process memory
uint sz; // Size of process memory
(5)打开文件列表
struct file *ofile[NOFILE]; // Open files
(6) 进程指针(pointer)：采用指针将进程控制块之间相互链接
进程链表组织方式是系统设置就绪队列头指针、阻塞队列头指针、运行队列头指针，按照进程的状态将进程的PCB挂在对应头指针后组成队列
3.用户空间分区
源程序包含代码及数据，编译链接生成的可执行文件时汇编形式，装载到内存中是二进制文件。程序是通过变量访问数据，但在二进制下是没有变量的概念，只能通过内存地址访问数据。如果全部变量都通过地址访问，这样是低效且不现实的。因而，需要根据不同变量的性质进行分区，比如局部变量内容短小，需要频繁访问，但是生命周期很短，通常只在一个方法内存活，就专门从内存划分出一块较小区域命名为栈(stack)，由编译器分配与回收，效率高。又比如较大的结构体可能不需要太频繁的访问，但生命周期较长，通常很多个方法中都会用到，就划出另一较大区域命名为堆(heap)，由程序员自主分配回收。
4.创建进程
创建进程时，操作系统为进程生成唯一的进程控制块(PCB)并挂在进程队列，内存中开辟空间存放程序的变量及代码，栈内装入输入的参数argc/argv，清空寄存器内容，main()入口地址送到程序计数器PC；CPU执行程序main()的指令，遇到return语句返回操作系统；操作系统释放进程内容，并将进程从进程队列中移除。
说清楚程序是如何变成进程的，下面说说如何进程中操作进程—API。
进程创建进程—接口API/C库函数
1. 创建子进程fork()
(1) 头文件
#include <unistd.h>
(2) 函数原型
#define int pid_t
pid_t fork( void);
返回值：成功调用一次则返回两个值，父进程返回子进程PID，子进程返回0；调用失败则返回-1。
(3) 函数说明
主函数main()运行时会自动创建进程，称为父进程；fork()系统调用用于创建一个新进程，称为子进程。创建子进程时，子进程会在内核中拥有自己的进程控制块(task_struct)，从而拥有不同于父进程的PID。但同时，子进程复制父进程其余一切(堆栈、代码段等)，而fork()作为系统调用保存在父进程和子进程的栈中，因而会返回两次，产生两个返回值。
// p1.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
int rc = fork();
if (rc < 0) { // 调用失败退出
fprintf(stderr, "fork failed\n");
exit(1);
} else if (rc == 0) { // 子进程内rc=0
printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
} else { // 父进程内rc为子进程ID getpid()为父进程ID
printf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n", rc, (int) getpid());
}
return 0;
}
父进程PID为3838，子进程PID为3829。创建子进程后，两个进程将执行fork（）系统调用之后的下一条指令，因而不会再输出hello world，但可以根据rc不同返回值输出下面两行内容。
2. 阻塞当前进程wait()
(1) 头文件
#include <sys/wait.h>
(2) 函数原型
#define int pid_t
pid_t wait (int * status);
参数：status 不是NULL时，子进程的结束状态值会由参数 status 返回；如果不关心子进程结束状态可置status为NULL。
返回值：执行成功则返回子进程PID，失败则返回-1。
(3) 函数说明
不使用wait()时，父进程和子进程会同时运行；使用wait()后，父进程会等待子进程执行完毕并返回子进程PID后再执行。
// p2.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
int rc = fork();
if (rc < 0) { // 调用失败退出
fprintf(stderr, "fork failed\n");
exit(1);
} else if (rc == 0) { // 子进程内rc=0
printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
sleep(1); // 等待一段时间再退出当前进程
} else { // wc为子进程PID
int wc = wait(NULL);
printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
rc, wc, (int) getpid());
}
return 0;
}
父进程PID为838，子进程PID为841，wait()返回值wc=841。
3. exec()函数簇
(1) 头文件
#include <unistd.h>
(2) 函数原型
exec指的是一组函数族，并不存在某一个具体的exec()，现选取execvp()作为例子了解。
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
参数：file为需要运行的文件名，argv[]为输入的参数列表
返回值：执行成功则函数不会返回，执行失败则直接返回-1
(3) 函数说明
exec()函数簇可以使子进程摆脱和父进程内容的相似性，执行一个完全不同的程序。
// p3.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
int rc = fork();
if (rc < 0) {
fprintf(stderr, "fork failed\n");
exit(1);
} else if (rc == 0) {
printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
char *myargs[3]; // strdup()字符串拷贝库函数
myargs[0] = strdup("wc"); // 程序: "wc" (字符统计)
myargs[1] = strdup("p3.c"); // 参数: 需要统计的文件
myargs[2] = NULL; // 命令行结束标志
execvp(myargs[0], myargs); // 统计行、单词、字节数
printf("this shouldn't print out");
} else {
int wc = wait(NULL);
printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
rc, wc, (int) getpid());
}
return 0;
}
子进程重载字符统计程序，统计p3.c的行数为32、单词数为123、字节数为966。
4. 接口API有什么用？
在计算机科学中，Shell俗称壳（用来区别于核），是指“为使用者提供操作界面”的软件（命令解析器），诸如windows下的cmd、unix下的bash。打开shell时，shell相当于父进程，shell可以接受命令，然后利用fork()创建子进程执行命令，执行完毕结束子进程返回shell，从而接受下一条命令。
(1) 控制台输入wc p3.c > newfile.rtf，则会在后台创建子进程统计p3.c的行数、单词数及字节数，并写入newfile.rtf。
(2) 控制台输入./p4，则会在后台创建子进程统计p4.c的行数、单词数及字节数，然后创建p4.output并写入，输入cat p4.output可显示内容。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int rc = fork();
if (rc < 0) {
fprintf(stderr, "fork failed\n");
exit(1);
} else if (rc == 0) {
// 重定向输出到文件
close(STDOUT_FILENO);
open("./p4.output", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, S_IRWXU);
// 重载"wc"程序
char *myargs[3]; // strdup()字符串拷贝库函数
myargs[0] = strdup("wc"); // 程序: "wc" (字符统计)
myargs[1] = strdup("p4.c"); // 参数: 需要统计的文件
myargs[2] = NULL; // 命令行结束标志
execvp(myargs[0], myargs); // 统计行、单词、字节数
} else {
int wc = wait(NULL);
assert(wc >= 0);
}
return 0;
}
5. 系统命令、接口API和系统调用关系
系统调用(System call)：操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”接口，用户程序可以通过这组“特殊”接口获得操作系统内核提供的服务。例如，用户可以通过进程系统调用sys_fork()创建进程。
应用程序接口API(Application Programming Interface)：程序员在用户空间下可以直接使用的函数接口，是一些预定义的函数，比如fork()函数，提供应用程序访问一组系统调用的能力。
系统命令：系统命令相对于API更高了一层，它实际上是一个可执行程序，它的内部引用了用户编程接口（API）来实现相应的功能
过程如下：使用系统命令gcc -o p1 p1.c -Wall -Werror 调用gcc编译器编译生成可执行程序p1，然后使用系统命令./p1执行该程序创建进程，进程内运行API函数fork()，根据frok()的系统调用号寻找内核空间对应的系统调用的sys_fork()创建子进程。
