1、进程

进程的定义：
进程是程序处于一个执行环境中在一个数据集上的一次运行过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。每个进程都有自己独立的系统资源，一个进程中可以有多个线程，系统是系统资源分配的基本单位。

1.1、创建进程

整个Linux操作系统都是由父子进程结构组成，每个进程都有创建者，也就是父进程，但是有一个进程例外，也就是init进程，其为系统启动初始化后执行的第一个进程。

1.1.1、fork()

函数原型：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void); //pid_t等价于有符号整型

主要作用： 创建一个子进程，这也就代表着，父进程可通过调用该函数创建一个子进程，父子进程各自独立，拥有自己的PCB，内存用户区，临时资源等，各自独立参与CPU调度
返回值：pid_t类型的变量，一共有两个返回值（父进程返回一个，子进程返回一个）

细节探究：
fork函数执行的流程：（1）调用_CREATE函数，也就是进程创建部分，子进程进行虚拟地址申请，在子进程的内核空间进行不完全拷贝（2）调用_CLONE函数，向父进程拷贝必要资源，子进程的用户空间进行完全拷贝，子进程继承所有父进程资源，如临时堆栈拷贝，代码完全拷贝（3）子进程执行fork函数剩余部分，执行最后这个语句，fork函数就会有二次返回，如果成功返回0，不成功返回1。不成功的主要原因有：
a.系统内存不够 b.进程表满（容量一般为200~400）c.用户的子进程太多（一般不超过25个）

所以fork函数的返回值情况如下：
父进程调用fork()，返回子进程pid(>0)
子进程调用fork()，子进程返回0，调用失败的话就返回-1
这也就说明了fork函数的返回值是2个

fork的应用场景：一个父进程希望复制自己，使父进程和子进程执行不同的代码段。在网络编程中常用到fork函数，例如：父进程等待客户端的服务请求，当请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求。示例程序如下所示（仅展示关键代码）：

void test_fork()
{pid_t pid;int data;while(1){printf("please input command number:");scanf("%d", &data);if(1 == data){pid = fork();if(pid > 0){}else if(0 == pid){while(1){printf("do net require, pid = %d\n", getpid()); //模拟子进程处理请求sleep(3);}}else{perror("create process failed\n"); //创建进程失败exit(-1);}}else{printf("isn't an excepted number\n");}}
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

父进程执行时一直在等待用户输入数据，当用户输入1时，创建子进程（pid为1785），并建立网络链接，父进程则继续等待用户输入下一个数据，并根据输入的具体值完成指定的操作。

总结：父子进程都执行fork函数，但执行不同的代码段，获取不同的返回值。创建出来的子进程在继承了所有的父进程资源后会从代码的fork()处继续向下执行，该特性可被如下的程序段所验证：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid;printf("aaaaaa process pid = %d\n", getpid());pid = fork();printf("bbbbbb process pid = %d\n", getpid());while(1){sleep(1);}return 0;
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

不难看出，父进程执行的代码段打印了"aaaaaa"和"bbbbbb"这两串字符串，而子进程仅打印了"bbbbbb"这一串字符串，即可验证上文所述。

1.1.2、vfork()

函数原型：

#include <unistd.h>
pid_t vfork(void); //pid_t等价于有符号整型

主要作用： 创建一个子进程，作用与fork函数一致

细节探究：
vfork函数的调用序列和返回值与fork相同，但二者的语义不同
（1）vfork直接使用父进程存储空间，不拷贝（可将存储空间理解为联合体，每个成员均为vfork函数创建的子进程，所有子进程共用同一段内存）
（2）vfork保证子进程先运行，在子进程调用exit或exec函数族之后父进程才会被调度执行，如果在子进程退出之前子进程依赖父进程的进一步动作，则会导致死锁。下文程序段可验证vfork函数的这一特性（仅展示关键代码）：

void test_vfork()
{pid_t pid;int cnt = 0;pid = vfork();if(pid > 0){while(1){printf("i am a parent process\n");sleep(1);}}else if(0 == pid){while(1){printf("i am a child process\n");cnt++;sleep(1); //在子进程占用一段运行时间后，主动结束子进程if(3 == cnt){cnt = 0;exit(0);}}}else{perror("create process failed\n");exit(-1);}
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

父进程调用vfork函数创建子进程，先运行子进程，在合适的条件下子进程退出后父进程得以执行。

1.2、执行进程——exec函数族

函数原型： Linux下的exec函数族是6个以exec开头的函数，具体如下：

#include <unistd.h>int execl(const char *path, const char *arg, ...); //arg...传递给执行的程序的参数列表
int execv(const char *path, char *const argv[]); //arg...封装成指针数组的形式传递
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]); //使用默认的环境变量（environment），在envp[]中指定当前进程所使用的环境变量
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

主要作用： 通过fork()或者vfork()函数创建子进程后，子进程几乎复制了父进程的全部内容，如果我们想要父子进程执行的内容不同，可以通过exec函数族实现。exec函数族提供了一个在进程中执行另一个程序的方法，它可以根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代当前进程的数据段，代码段和堆栈段。在执行完后，当前进程除了进程号外，其它内容都被替换。

细节探究：
日常开发中，exec函数族最常被用到的函数是：

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

execl的示例程序如下所示（仅展示关键代码）：

func.c

void test_exec()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid > 0){printf("i am a parent process\n");}else if(0 == pid){printf("i am a child process\n");if(execl("/home/pi/project/process_1/subprocedure", "subprocedure", NULL) < 0){perror("execl failed\n");exit(1); //exec调用失败，主动结束子进程}}else{perror("create process failed\n");exit(-1);}printf("end mark point\n");
}

subproc.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{int cnt = 0;while(cnt < 3){printf("child process execute subprocedure\n");cnt++;sleep(3);}exit(0);
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

可以发现，父进程剩下的部分，子进程并没有执行。子进程在调用exec函数族后，就只执行subproc.c编译出来的可执行文件subprocedure。通过exec函数族实现了父子进程执行不同的内容。

特别注意：
（1）确保形参格式正确：如果exec函数族的第一个形参为path，则必须以“/”开头，否则将视其为文件名；path需要为完整的文件目录路径，即被执行的文件也需要被包含在path中。如果第一个形参为file则会自动在path中搜索
（2）要判断exec是否执行成功，如果执行失败应结束该子进程。一种执行失败的情况如下所示：

这种情况是path路径的末尾未包含可执行文件所导致，exec执行失败，结束子进程。

1.3、进程退出

进程常见的退出方法主要有以下三种：
（1）main函数中调用return实现进程退出，main函数对应的进程的状态信息将会自动被系统中的特定进程所回收
（2）ctrl+c中断正在运行的进程（信号机制）
（3）任何进程调用exit()或_exit()实现进程退出

1.3.1、exit()和_exit()

函数原型：

#include <stdlib.h>
void exit(int status);#include <unistd.h>
void _exit(int status);

主要作用： 两个函数功能和用法是一样的，都能结束调用此函数的进程
参数：status为进程退出时的一个状态信息，ANSIC标准要求使用值0或宏EXIT_SUCCESS指示程序正常终止，使用值1或宏EXIT_FAILURE指示程序异常终止

细节探究：
exit()和_exit()最主要的区别有以下几点：
（1）exit()属于标准库函数（标准c库中的函数），_exit()属于系统调用函数（Linux系统中的函数）。使用时，两个函数所包含的头文件不一样
（2）exit()在执行时，系统会检测进程打开文件情况，并将处于文件缓冲区的内容写入到文件当中再退出。而_exit()则直接退出，不会将缓冲区的内容写入文件

下文给出的程序段可以验证exit()和_exit()之间的区别：
测试函数test()

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{printf("test begin\n");printf("output string buffer");exit(0); //在main函数中等价于return 0printf("test end\n");//return 0;
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

测试函数_test()

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{printf("test begin\n");printf("output string buffer");_exit(0); //在main函数中等价于return 0printf("test end\n");//return 0;
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

printf()使用缓存I/O的方式，该函数在遇到'\n时自动从缓冲区中将记录读出。而exit()也能将文件缓冲区的内容写入到文件中再退出。所以不难看出两个运行结果的差异：执行exit()代码段的第二行信息能被打印，而执行_exit()代码段的第二行信息不能被打印。如果第一行输出也没有格式化控制符\n，则_exit()也不会将其打印出来。

1.4、进程回收

1.4.1、僵尸进程

僵尸进程简介： 在Linux中，正常情况下，子进程是通过父进程创建的，子进程再创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程。即父进程永远也无法预测子进程到底什么时候结束。当一个子进程完成它的工作退出之后，它的父进程需要采用合适的手段对子进程实现资源回收，否则就会产生僵尸（Zombie）进程。

僵尸进程危害：
（1）僵尸进程会造成一定的资源浪费，占用不必要的资源。任何一个子进程（init除外）在退出的时候，内核释放该进程所有的资源，包括打开的文件，占用的内存等。但是仍然会保留一些信息（包括进程号，退出状态，运行时间等），称为僵尸进程的数据结构。
（2）当进程id达到了最大值的时候，因为有僵尸进程占用了部分进程id，使得无法再打开新的进程。

僵尸进程产生示例：

void test_zombie()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid > 0){sleep(1); //延时片刻，保证子进程先运行printf("i am a parent process\n");while(1); //父进程保持不退出}else if(0 == pid){printf("i am a child process\n"); //子进程直接退出}else{perror("create process failed\n");exit(-1);}printf("end mark point\n");
}

执行该段代码编译生成的可执行文件，并另一个终端使用指令ps -ajx查看，可得到如下结果：

进程状态为Z或Z+的进程即为僵尸进程

僵尸进程避免：
实际开发中有多种手段避免僵尸进程的出现，如子进程退出时向父进程发生SIGCHILD信号，多次fork()，将子进程变成孤儿进程等。下文着重讲解的，也是最常用的一种方法，是调用wait()/waitpid()函数，使子进程退出时被父进程回收。

1.4.2、wait()

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>pid_t wait(int *status);

主要作用： 父进程调用wait()阻塞等待子进程退出，并回收子进程的状态信息
参数： *status指向的整型对象来保存子进程结束时的状态，即exit()的形参值。此外，子进程的结束状态也可以有一些特定的宏来测定
返回值： 若成功回收子进程则返回子进程的进程号，失败则返回-1

细节探究：
使用wait()回收进程时应该注意以下几点：
（1）如果子进程没有结束，则父进程会阻塞等待，无法向前推进，直到子进程结束。如果父进程占用某个临界资源，则容易出现死锁现象
（2）wait()一次只能回收一个子进程，如果创建了多个子进程，则哪个子进程先结束就先被回收
（3）形参*status可以为NULL，表示直接释放子进程PCB，不接收返回值

wait()的示例程序如下所示（仅展示关键代码）：

void test_wait()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid > 0){pid_t retval;int status;printf("parent process is waiting...\n");retval = wait(&status); //阻塞等待子进程退出printf("parent process wait done, retval = %d status = %d\n", retval, status); //打印已回收子进程的进程号和结束状态}else if(0 == pid){int cnt = 0;while(cnt < 3){cnt++;printf("child process is running\n");sleep(3);}exit(0); //子进程退出}else{perror("create process failed\n");exit(-1);}
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

父进程创建子进程之后阻塞等待子进程的退出，当子进程退出后父进程将回收子进程的状态信息。

1.4.3、waitpid()

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int option);

主要作用： 同wait一致，等待子进程退出并回收子进程的状态信息
参数：
pid：主要有两种情况，pid = -1表示回收任何一个子进程，pid > 0表示回收对应pid的任一子进程
status：与wait()中的参数status作用一致
option：指定回收方式，常见的为0（阻塞等待子进程结束）或WNOHANG（非阻塞等待）
返回值： 若成功回收子进程则返回子进程的进程号，失败则返回-1，返回0表示option为WNOHANG且没有子进程退出

细节探究：
waitpid()的作用和wait()一样，但它并不一定等待第一个结束的子进程。waitpid()提供了若干选项，可以实现非阻塞的进程回收功能。事实上在Linux内部实现wait()时直接调用的就是waitpid()，可以将wait()理解成waitpid()的一个特例。下文代码展示了两个函数之间的等效关系：

//retval = wait(&status);
retval = waitpid(-1, &status, 0); //阻塞等待子进程退出

用waitpid()去跑上文wait()示例程序可得到一样的结果，如下图所示：

下文给出的程序段是验证waitpid()的非阻塞回收功能（仅展示关键代码）：

void test_waitpid()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid > 0){sleep(1); //睡眠一段时间，确保子进程先运行pid_t retval;int status;printf("parent process is waiting...\n");if((retval = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) == 0){printf("parent process didn't wait child process exit\n"); //非阻塞等待子进程退出，回收成功}else{printf("parent process wait done, retval = %d status = %d\n", retval, status); //回收失败}while(1); //父进程不能退出，否则子进程会成为孤儿进程，由init进程完成状态收集工作}else if(0 == pid){int cnt = 0;while(cnt < 4){cnt++;printf("child process is running\n");sleep(2);}exit(0);}else{perror("create process failed\n");exit(-1);}
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

可以发现，父进程未能成功回收子进程，子进程在退出后成为僵尸进程，在另一个Linux终端输入命令ps -ajx可观察到这一僵尸进程。

若想以非阻塞方式成功回收进程，可以定期执行waitpid()，直到成功回收子进程的状态信息。示例程序如下所示（仅展示关键代码）：

void test_waitpid()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid > 0){pid_t retval;int status;printf("parent process is waiting...\n");while((retval = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) == 0){sleep(2); //非阻塞等待子进程退出，如果未退出则睡眠一段时间}printf("parent process wait done, retval = %d status = %d\n", retval, status);}else if(0 == pid){int cnt = 0;while(cnt < 4){cnt++;printf("child process is running\n");sleep(2);}exit(0);}else{perror("create process failed\n");exit(-1);}
}

执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：

父进程以一定的时间间隔非阻塞等待子进程退出，当子进程退出后成功回收其状态信息。

2、写在最后

Linux程序设计是一门很深的学问，由于时间关系，还有很多我想补充的内容都未能放在这上面。即将开启一段新的旅程了，日后有时间还会不断地去完善，祝好运！

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