关于Linux下的进程创建与终止（进程篇 - 涉及写时拷贝，fork函数）

目录

创建进程

写时拷贝

fork函数

进程终止

进程终止时，操作系统都做了什么？

进程终止的常见方式有哪些？

如何使用代码终止掉一个进程？

创建进程

写时拷贝

在了解下面的内容之前，我们需要先聊一聊写时拷贝这一概念。

什么是写时拷贝呢?

        通常，父进程与子进程的代码是共享的，父进程与子进程不再进行写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入的时候，便会以写时拷贝的方式各自生成一份副本，这项技术被称为写时拷贝。

示例：

为什么会存在写实拷贝这一项技术呢？

        一般而言，创建子进程，子进程是必须要独立出去的，因为进程是具有独立性的，理论上，子进程也必须要有自己的代码以及数据。

        可是，fork创建子进程，我们并没有加载的过程，这也就意味着，子进程并没有自己的代码与数据! 所以，子进程必须 “使用” 父进程的代码与数据。

        代码：都是不可以被写的，进程只有读取的权限，所以说父子进程共享代码，没有问题。但是

        数据：是可以被父进程或者子进程更改的，所以从这一方面来说，必须分离。

对于数据来说：

        创建进程的时候，就直接进行拷贝分离，吗？？？可是拷贝子进程根本不会用到的空间，或者拷贝到子进程只会读取但是不会写入的空间，无疑增大了内存的负担。那么什么样的数据子进程会进行写入呢？？？系统根本无法提前预知哪些数据会被写入。

        所以，系统选择了写实拷贝的技术，来实现父进程与子进程的数据分离，完成了进程独立性的技术保障。子进程或者父进程需要进行写入的时候，系统再进行分配空间，必要的时候拷贝原数据。这是高效使用内存的一种表现。

也可以参考程序地址空间这一概念

fork函数

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：自进程中返回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

注：fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

示例1：

示例2：

fork函数用法

  • 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。
  • 一个进程要执行一个不同的程序

fork函数调用失败原因

  • 系统中有太多的进程
  • 实际用户的进程数超过了限制

fork的两个返回值是什么？

给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0

fork为什么会有两个返回值？

因为在实现fork这个函数的时候，在这个函数内部，return返回之前，fork函数就已经开始生效了，这也就意味着return会被执行两次，一次是原本的父进程，一次是fork在函数创建子进程的返回值。

示例：在实现fork函数的内部，就已经是两个执行流了

一个变量怎么可能同时保存不同的值？

pid_t id = fork();

因为return会被执行两次。
return的本质，不就是对id进行写入吗!
此时发生了写时拷贝!，所以父子进程各自其实在物理内存中，有属于自己的变量空间!只不过在用户层用同一个变量(虚拟地址!)来标识了。也可以参考程序地址空间这一概念

问题：fork之后，是调用fork函数这一行之后的代码开始与父进程共享？还是父进程所有的代码都与子进程共享??

注：pc：程序计数器（当前正在执行代码的下一行代码的地址）

示例：

  • 1．我们的代码汇编之后，会有很多行代码，而且每行代码加载到内存之后，都有对应的地址
  • 2．因为进程随时可能被中断（可能并没有执行完)，下次回来，还必须从之前的位置继续运行(不是最开始哦!)，就要要求CPU必须随时记录下，当前进程执行的位置，所以，CPU内有对应的寄存器数据（这就是进程的上下文数据），用来记录当前进程的执行位置!
  • 3.寄存器在CPU内，只有一份，寄存器内的数据，是可以有多份的!
  • 创建的时候，要不要给子进程  ---  进程的上下文数据?  答案是需要的。
    所以，虽然父子进程各自调度，各自会修改EIP,但是已经不重要了，因为子进程已经认为自己的EIP起始值，就是fork之后的代码!!
     

进程终止

进程终止时，操作系统都做了什么？

谈到进程终止，首先我们需要明白，创建进程时，操作系统都做了些什么？

        创建进程 ---> 操作系统要管理进程 ---> 创建内核数据结构test_struct ---> 创建对应的地址空间mm_struct ---> 创建页表，构建映射关系 ---> 在一定程度上，将该进程对应的代码和数据加载至内存

        所以，进程终止，就是操作系统释放进程申请的相关数据结构和对应的数据与代码（本质上就是释放内存资源，也可能是CPU或者是磁盘等等，但是只会占很少的一部分，更多的还是内存）。

进程终止的常见方式有哪些？

情况示例：

a.代码跑完，结果正确

b.代码跑完，结果不正确

c.代码没有跑完，程序崩溃

老样子，谈上述前两种情况之前，先来聊一聊main函数的返回值。

        好像从我们开始学习写代码的时候，老师就告诉我们，main函数的最后一行要写 return 0；可是为什么？mian函数返回的意义是什么？return 0的含义是什么? return 其他的值可不可以？

        答案是这样的，main函数返回的意义是返回给上一级进程，用来评判该进程的执行结果；return 0代表的是进程的退出码；可以return其他值，并不总是0；这里0标识 sucesss，非0标识运行结果不正确。

        非0值有很多，不同的非0值就可以标识不同的错误原因，这样在程序结束之后，当结果不正确时，方便我们快速定位原因。

示例：Linux下可以通过strerror函数来获取系统的错误信息。

strerror#include<string>char* strerror(int errnum);

示例1： 

Linux下的运行结果：

另外，Linux下，我们也可以通过指令，来获取进程的退出码

echo $？ ： 获取最近一个进程执行完毕的退出码

示例2：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>int sum(int top)
{int s = 0;int i = 0;for(i = 1; i <= top; i++){s += i;}return s;
}int main()
{int ret = 0;int res = sum(100);if(res != 5050){//代码运行结果不正确ret = 1;}return ret;
}

运行结果：

当我们故意调整一下逻辑：

int sum(int top)
{int s = 0;int i = 0;for(i = 1; i < top; i++){s += i;}return s;
}

运行结果：

        因为函数是我们自己实现的，所以我们可以对返回值做判断，来确定程序运行的结果是正确的还是不正确的，进而设置main函数的返回值

示例3：

示例4：这里使用kill指令发送9号信号杀掉11111进程，但是系统此时是没有11111进程的

按道理来说这里的错误码应该是3啊。怎么会是1呢？？？ --- 因为这里的退出码叫自定义退出码，是可以自定义设置的

所以：我们自己可以使用这些退出码和含义，但是，如果你想自己定义，也可以自己设计一套退出方案!

关于情况c.代码没有跑完，程序崩溃

示例：这是经典的野指针错误

int main()
{printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");int *p = NULL;*p = 12345; // 野指针printf("hello world\n");printf("hello world\n");return 0;
}

输出结果：段错误

程序崩溃的时候，退出码无意义。一般而言退出码对应的return语句，没有被执行，即使被执行，我们也不会关心，因为我们更想知道，程序为什么会崩溃?
 

如何使用代码终止掉一个进程？

  • 1. return语句，就是终止进程的 !
  • 2. exit函数在代码的任何地方调用，都表示直接终止进程
     

注意: main函数内的return是终止进程，main函数调用其他函数，其他函数内部的return不是终止进程，而是return返回

        main函数内的 exit函数 是终止进程，main函数调用其他函数，其他函数内部的 exit函数 依旧会直接终止进程

示例1： 

int main()
{printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");return 1;printf("hello world\n");printf("hello world\n");return 0;
}

输出：

示例2：

int main()
{printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");exit(111);printf("hello world\n");printf("hello world\n");return 0;
}

输出：

示例3：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>int sum(int top)
{int s = 0;int i = 0;for(i = 1; i < top; i++){s += i;}exit(222);return s;
}int main()
{printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");exit(111);printf("hello world\n");printf("hello world\n");return 0;
}

输出：

深入了解

_exit函数 ：Linux下的系统接口

#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 ：c语言库函数

NAMEexit - cause normal process terminationSYNOPSIS#include <stdlib.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

二者区别：

c语言库–会把缓冲区的内容打印在显示器

Linux系统接口–不会把缓冲区内容打印在显示器

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。

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