深度理解fork（）函数及进程控制

进程创建

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理解fork()函数

再谈fork（）函数，从前面我们知道fork函数是从已经存在的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。它的返回值有两个：子进程返回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，内核做的事情：

• 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给子进程
• 添加子进程到系统进程列表当中
• fork返回，开始调度器调度

注意：fork之后父子进程代码共享，数据以写时拷贝的形式各自私有一份，映射在物理地址上的不同位置。

写时拷贝：是一种可以推迟甚至免除拷贝的拷贝方式。

关于写时拷贝的原理参考博客：https://blog.csdn.net/weixin_42250655/article/details/81605369

fork函数的原理

当一个进程调用fork函数之后，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，但每个进程都将开始它们自己的旅程。

fork之前父进程独立运行，fork之后，父子进程执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

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，父进程要等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
• 一个进程要执行一个不同的程序。来如子进程从fork返回后，调用exec函数。

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

进程终止

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进程退出场景

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果不正确
• 代码异常终止

进程常见退出方法

1.正常终止（可以通过echo $?查看最近一个进程退出时的进程退出码）：

• 从main返回
• 调用exit（缓冲区中的数据会刷新出来）
• _exit（强制退出，缓冲区中的数据不会刷新出来，即直接终止程序）

2.异常退出

• Ctrl+c ,信号终止

下面我们来了解一下_exit函数和exit函数

_exit函数

头文件：#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

头文件：#include<stdlib.h>
void exit(int status);

exit（）函数在调用exit系统调用之前，还要做其他的工作：

• 执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数。
• 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
• 调用_exit

exit和_exit的区别，可参见博客：https://www.cnblogs.com/gangzilife/p/9088275.html

return退出

return是一种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。main函数的返回值等于当前进程的退出码，return从main函数return，程序正常退出。

进程等待

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进程等待有两种方式：

1. 阻塞式等待：子进程没有退出时，父进程一直等着子进程退出。
2. 非阻塞式等待（轮询式等待）：条件不满足时，父进程会返回去做其他事情。

进程等待的必要性

• 之前所说的僵尸进程就是因为子进程退出，父进程如果不管不顾，就会造成“僵尸进程”的问题，进而造成内存泄漏。所以，进程等待就是解决“僵尸进程”问题的一个方案。
• 进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，就连“杀人不眨眼”的kill -9都无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。
• 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，防止内存泄漏。

如何避免僵尸进程

1. 调用wait/waitpid函数查询子进程退出状态，此方法父进程会被挂起。
2. 不想让父进程挂起，可以在父进程中加一条语句：signal(SIGCHLD,SIG_IGN)；表示父进程忽略SIGCHLD信号，该信号是子进程退出的时候向父进程发送的。
3. 注册信号处理函数，让信号处理函数总调用wait函数。

SIGCHLD信号

当子进程退出的时候，内核会向父进程发送SIGCHLD信号，子进程的退出是个异步事件（子进程可以在父进程运行的任何时刻终止）

如果不想让子进程变成僵尸进程可在父进程中加入signal(SIGCHLD,SIG_IGN);如果将此信号的处理方式忽略，可以让内核把僵尸进程转交给init进程处理，省去了大量僵尸进程占用系统资源。（父进程忽略了SIGCHLD信号之后，会将僵尸子进程转交给init进程处理）

进程等待的方法

wait方法

头文件：#include<sys/types.h>
       #include<sys/wait.h>

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NULL

进程一旦调用了wait，就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸进程的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。

waitpid方法

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：
    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。
    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）
    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

• 子进程异常时，会向操作系统发送异常信号。
• 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
• 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
• 如果不存在该子进程，则立即出错返回。

wait/waitpid的区别：

• 在一个子进程终止前，wait使其调用者阻塞，而waitpid有选择项，可以使调用者不阻塞。
• waitpid并不等待第一个终止的子进程，它有若干个选择项，可以控制它所等待的特定进程。
• 实际上，wait函数是waitpid函数的特例。如waitpid(-1,&status,0);

获取子进程status

• wait/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。
• status用来保存被收集进程退出时的一些状态，它是一个int类型的指针，如果参数status设置为NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程
• status可以当做位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

由图可知，当程序正常终止时，status的位图的低8位不会收到任何信号，保持全0状态，此时位图的次低8位保存的是程序的退出码。一旦低8位收到信号时，表示程序被信号所杀即异常终止。此时位图的低8位保存程序的终止信号，次低8位不会用。需要注意的是，实际上用来保存收到终止信号的只有7个比特位，因为第8位是core dump标志。

1.进程的阻塞式等待方式

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    pid_t pid;
    pid=fork();
    if(pid < 0){
        printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
        return 1;
    }else if(pid == 0){//child
        printf("child is run,pid is: %d\n",getpid());
        sleep(5);
        exit(2);
    }else{
        int status= 0;
        pid_t ret=waitpid(-1,&status,0);
        if(WIFEXITED(status)&& ret== pid){
            printf("wait child 5s success,child return code is: %d.\n",WEXITSTATUS(status));
        }else{
            printf("wait child failed,return.\n");
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

2.非阻塞式等待方式

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    pid_t pid;
    pid=fork();
    if(pid< 0){
        printf("child is run,pid is: %d\n",getpid());
        sleep(5);
        exit(1);
    }else{
        int status=0;
        pid_t ret=0;
        do
        {
            ret=waitpid(-1,&status,WNOHANG);
            if(ret==0){
                printf("child is running\n");
            }
            sleep(2);
        }while(ret==0);
        if(WIFEXITED(status)&&ret==pid){
            printf("wait child 5s success,child return code is: %d.\n",WEXITSTATUS(status));
        }else{
            printf("wait child failed,return.\n");
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}