【Linux】进程控制和Shell的简易实现
1.进程创建
fork函数
pid_t fork()函数就从已存在进程中创建一个进程，新进程为子进程，而原进程就为父进程。
头文件：#include #include
返回值：子进程就返回0，父进程返回当前子进程id，出错返回-1
进程调用 fork ，当控制块转移到内核中 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
- 将父进程的部分数据结构内容拷贝给子进程
- 添加子进程到进程的系统进程
- fork返回，父子进程分别从 fork() 之后的代码开始执行，调度器开始调度进程
写时拷贝
通常，父子代码是共享的，父子不再写入时候，数据也是共享的，进程共享父进程的内存空间，但内核会标记为 只读 ，当任意一方试图写入，内核会为进程复制一份私有副本，防止进程之间相互影响
因为有了写时拷贝技术的存在，父子进程就可以数据就可以·分离开来，保证了进程之间的独立性
写时拷贝，是一种延时申请内存的技术，可以提高内存的利用率
fork常规用法
- 父进程创建子进程，父子进程执行不同的代码段，例如：父进程等待客户端请求，子进程来处理请求或者用子进程来执行另一个不同的程序，子进程通过exec()进程替换来执行另一个任务
fork调用失败原因
- 系统中有太多进程，而进程条目的数量是有限的，就会导致创建子进程失败
- 实际用户的进程数受到了限制
fork() 行为总结
| 行为 | 父进程 | 子进程 |
|---|---|---|
fork() 返回值 | 子进程 PID（>0） | 0 |
| 执行起点 | fork() 后的下一行代码 | fork() 后的下一行代码 |
| 内存修改 | 触发写时拷贝（COW） | 触发写时拷贝（COW） |
| 典型用途 | 管理子进程 | 执行新任务 |
（注意：父子进程两个执行流谁先执行完取决于调度器）
2.进程终止
进程终止的本质是释放系统资源，就是释放进程申请的相关内核结构和对应的代码和数据
进程退出场景
- 代码运行完毕，正确退出（从main返回，return 0）
- 代码运行完毕，异常退出 （exit(1)）
- 代码异常终止·（ctrl + c）
退出码
我们通过 退出码 得到最近一次执行程序的退出状态，来了解程序是否正常退出
Linux 退出码：
我们可以通过strerror函数来查看对应退出码的描述
进程退出码查看
Linux 进程退出我们可以通过echo $?来查看进程退出码。
比如我正确执行一条指令，它的退出码就为0（Linux中执行指令都是通过bash创建子进程来执行的）
进程退出方法
- _exit函数
_exit 函数是系统调用函数
#include 参数：status 定义了进程的终⽌状态，⽗进程通过wait来获取该值
- exit函数
exit最后也会调⽤_exit, 但在调⽤_exit之前，还做了其他工作：
- 执行用户通过
atexit或on_exit定义的清理函数。
#include #include 输出：
Main function
Exit status: 42, Message: Bye!
- 关闭所有打开的流，所有缓存数据均被写入
- 调用_exit
exit和_exit函数的区别：exit是对_exit系统调用封装的库函数，它就可以刷新用户缓冲区数据，也就是fflush函数刷新用户缓冲区数据到内核缓冲区中，并且还会调用atexit和on_exit清理函数
int main()
{
printf("hello");
exit(0);
}
运⾏结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#
int main()
{
printf("hello");
_exit(0);
}
运⾏结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#
- return返回
return 是一种常见的退出进程方法，return n 等同于执行 exit(n),因为调用 main 的运行函数会将 main 的返回值当 exit 的参数。
3.进程等待
僵尸进程
僵尸进程就是已经终止但未被父进程回收的进程。
进程等待
如果想要对僵尸进程进行处理，就需要父进程父进程回收子进程的方式来解决子进程的僵尸状态。
进程等待方法
wait
- 函数方法：
#include
#include
pid_t wait(int* status);
参数： status：保存子进程退出状态（需用宏解析，如 WEXITSTATUS）。
返回值： 成功：返回终止的子进程 PID。
失败：返回 -1（如无子进程）。
#include 输出：
Child PID: 1234
Child 1234 exited with status: 42
waitpid
- 函数方法：
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： 输出型参数
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： 默认为0，表⽰阻塞等待
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。
等待子进程：
pid_t child_pid = fork();
if (child_pid == 0)
{
// 子进程
_exit(10);
}
else
{
int status;
// 只等待 child_pid 的子进程
waitpid(child_pid, &status, 0);
printf("Child %d exited: %d
", child_pid, WEXITSTATUS(status));
}
非阻塞轮询：
int status;
pid_t pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
if (pid > 0)
{
printf("Child %d exited.
", pid);
}
else if (pid == 0)
{
printf("No child exited yet.
");
}
else
{
perror("waitpid failed");
}
获取子进程status
-
wait和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。
-
如果传递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传递父进程
status 可以当做一个位图来看，其具体实现细节如下图：
退出状态和终止信号以及core dump表示方式
1.正常终止
退出状态：(status >> 8)&0xFF
2. 被信号所杀
退出信号：status&0x7F
core dump(核心转储)：(status>>7)&1
进程替换
替换原理
用 fork 创建的子进程和父进程执行的是同一个程序，如果子进程想要执行另一个程序，往往需要调用 exec 函数来替换当前程序。当进程调用 exec 程序后，进程代码和数据就完全被新进程替换，从新程序的启动例程开始执行，并且执行完新进程后并不会返回之前子进程执行的代码继续执行，而是直接退出，并且调用exec并不会创建新进程，所以调用exec前后该进程的id并没有改变
返回值处理： 所有函数调用成功时不返回，失败时返回-1并设置errno。
替换函数
其中有六个exec开头的函数，统称exec函数：
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
| 函数名 | 参数传递方式 | 路径处理 | 环境变量处理 | 是否系统调用 | 其他特点 |
|---|---|---|---|---|---|
execl | 可变参数列表 | 需完整路径（如/bin/ls） | 继承当前环境变量 | 否 | 参数以 NULL 结尾（如 "ls", "-l", NULL |
execlp | 可变参数列表 | 从 PATH 搜索文件名 | 继承当前环境变量 | 否 | 自动搜索可执行文件路径（如 execlp("ls", ...)） |
execle | 可变参数列表 | 需完整路径 | 自定义 envp 数组 | 否 | 参数列表后需显式传递 envp（如 execle(..., envp)）) |
execv | 参数数组 argv[] | 需完整路径 | 继承当前环境变量 | 否 | 参数数组需以 NULL 结尾（如 char *argv[] = {"ls", "-l", NULL}）) |
execvp | 参数数组 argv[] | 从 PATH 搜索文件名 | 继承当前环境变量 | 否 | 结合路径搜索与数组传参（如 execvp("ls", argv)) |
execve | 参数数组 argv[] | 需完整路径 | 自定义 envp 数组 | 是 | 唯一直接调用内核的系统调用（其他函数均封装它) |
使用方法：
- execl
特点：参数列表形式传参、需完整路径、继承环境变量
#include - execlp
特点：参数列表传参、自动搜索PATH环境变量
#include - execle
特点：参数列表传参、需完整路径、自定义环境变量
#include - execv
特点：参数数组传参、需完整路径、继承环境变量
#include - execvp
特点：参数数组传参、自动搜索PATH环境变量
#include - execve
特点：参数数组传参、需完整路径、自定义环境变量、唯一系统调用
#include 总结
总结下来就是 是否需要完整路径、自定义环境变量，以及参数是列表还是数组
这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。
- l(list) : 表示参数采用列表
- v(vector) : 参数用数组
- p(path) : 有p⾃动搜索环境变量PATH
- e(env) : 表示自己维护环境变量
4,简单shell的实现
**前言：**我们在命令行执行命令时都是由 bash 创建子进程，然后由子进程 exec进程替换 执行对应命令。
shell脚本的流程：
- 获取命令行
- 解析命令行
- fork()创建子进程
- 替换子进程
- 父进程等待子进程退出
源码实现：
#include 
