一、fork的補充

在之前已經了解了fork函式，這個函式是以父行程為“模板”創建子行程，父子行程的所有代碼共享，這是因為代碼是不可被修改的，所以各自私有代碼的話會浪費空間，

其回傳值為：
子行程中回傳0，父行程中回傳子行程的PID，子行程創建失敗回傳-1，因為一個父行程可以創建多個子行程，而一個子行程只能有一個父行程，因此，對于子行程來說，父行程是不需要被標識的；而對于父行程來說，子行程是需要被標識的，因為父行程創建子行程的目的是讓其執行任務的，父行程只有知道了子行程的PID才能很好的對該子行程指派任務，

fork的作業程序具體如下：

1. 父行程初始化，
2. 父行程呼叫fork創建子行程，fork為系統呼叫，因此進入內核，
3. 內核根據父行程復制出一個子行程，父行程和子行程的PCB資訊相同，代碼和資料也相同，因此，子行程和父行程一樣，做完初始化，剛掉用了fork進入內核，還沒有從內核回傳，
4. 現在又兩個一模一樣的行程都呼叫了fork進入內核等待從內核回傳（實際上只有父行程呼叫了fork一次），此外系統中還有很多其他行程也等待從內核回傳，是父行程先回傳還是子行程先回傳，還是這兩個行程都等待，系統調度執行了其他的行程，取決于內核的調度演算法，
5. 如果某個時刻父行程被調度指向，從內核回傳后就從fork函式回傳，回傳值是子行程的PID，
6. 如果某個時刻子行程被調度執行了，從內核回傳后就從fork函式回傳，回傳值是0.

fork函式的特點概括起來就是“呼叫一次，回傳兩次”，在父行程中呼叫一次，在父行程和子行程中各回傳一次，開始是一個控制流程，呼叫fork之后發生分叉，變成兩個控制流程，這也是fork（分叉）名字的由來，子行程中fork回傳值是0，父行程是子行程的PID（從根本上說fork是從內核回傳的，內核自有辦法讓父行程和子行程回傳不同的值），這樣當fork函式回傳后，可以根據回傳值的不同讓父行程和子行程執行不同的代碼，

另外，一般而言，通常要讓子行程先退出，因為父行程可以很容易對子行程進行管理（垃圾回收），而且子行程創建出來是用來處理業務的，所以需要父行程幫忙拿到子行程執行的結果，

1.1.寫時拷貝

父子代碼共享，父子再不寫入時，資料也是共享的，當任意一方試圖寫入，便以寫時拷貝的方式各自一份副本：

寫時拷貝相比于創建行程時就拷貝節約了記憶體空間，因為子行程不對資料進行寫入的情況下，沒有必要對資料進行拷貝，

寫時拷貝可以保證在多行程運行時，各行程獨享各自的資源，多行程運行期間互不干擾，不讓子行程的修改影響到父行程，實作行程獨立性，

另外，寫時拷貝并不會把全部的資料都拷貝過去，需要多少就拷貝多少，比如資料一共有10M，子行程只需要對其中的1M進行修改，作業系統只需要拷貝修改的那1M，

1.2.fork呼叫失敗的原因

• 系統中有太多的行程
• 實際用戶的行程數超過限制，一個用戶創建的行程數量是有限的，

二、行程終止

行程退出只有三種情況：

1. 代碼運行完畢，結果正確，

2. 代碼運行完畢，結果不正確，

3. 代碼例外終止（行程崩潰），

2.1.退出碼

可以通過 echo $?查看最近一次行程的退出碼：
退出碼分為以下幾類：

• 從main函式中return回傳，（正常退出）（0表示正常退出，非0表示錯誤退出）
• 呼叫exit，（正常退出）
• 呼叫_exit，（正常退出）
• ctrl + c，信號終止，（例外退出）

Linux中自帶的命令也是一個可執行程式，所以它們也會有行程退出碼：

這些退出碼都有含義，從而幫助用戶確認執行失敗的原因，而這些退出碼具體代表什么含義是人為規定的，不同環境下相同的退出碼的字串含義可能不同，可以使用strerror函式確認這些退出碼的含義：

2.2.正常退出

return

這種方式是最常用的退出方式，這也是為什么main函式最后要寫一個return 0的原因，因為0表示正常退出，

exit

exit和return是有差別的，exit是退出整個行程，在行程的任何地方都可以呼叫從而退出整個行程，而return是終止當前函式，并不會將行程終止，在main函式中呼叫的return則會使行程退出，

執行return num等同于執行exit(num)，因為呼叫main函式運行結束后，會將main函式的回傳值當做exit的引數來呼叫exit函式，

exit的引數就是一個行程的退出碼：

_exit和exit的區別

exit()函式定義在stdlib.h中，而_exit()定義在unistd.h中，exit()和_exit()都用于正常終止一個函式，但_exit()直接是一個sys_exit系統呼叫，而exit()則通常是普通函式庫中的一個函式，它會先執行一些清除操作，例如呼叫執行各終止處理函式、關閉所有標準IO等，然后呼叫sys_exit：

exit的退出：

_exit退出：

2.3.例外退出

例外退出的情況一般有下面兩種：

• 向行程發生信號導致行程例外退出，
  在行程運行程序中向行程發生kill -9信號使得行程例外退出，或是使用Ctrl+c使得行程例外退出等，

• 代碼錯誤導致行程運行時例外退出，
  比如代碼指標越界導致行程例外退出，或是出現除0的情況使得行程運行時例外退出等，

三、行程等待

由于需要保證子行程先退出（不這么做會造成僵尸行程，使記憶體泄漏），所以父行程需要通過行程等待的方式，回收子行程資源，獲取子行程的退出資訊，

3.1.行程等待的方法

wait

wait()等待任一僵死的子行程，將子行程的退出狀態（退出值、回傳碼、回傳值）保存在引數status中，即行程一旦呼叫了wait，就立即阻塞自己，由wait分析是否當前行程的某個子行程已經退出，如果找到這樣一個已經變成僵尸的子行程，wait就會收集這個子行程的資訊，并把它徹底銷毀后回傳；如果沒有找到這樣一個子行程，wait就會一直阻塞在這里，直到有一個出現為止，如果成功，回傳該終止行程的PID，否則回傳-1，其引數為獲取子行程的退出狀態，不關心可設定為NULL，

使用下面的程式驗證：

使用以下監控腳本對行程進行實時監控：

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep test |
 grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

可以看到子行程并沒有變成僵尸行程，而是被父行程清理掉了，另外父行程在運行到wait(NULL)一句的時候會阻塞等待，直到清理完子行程才往下執行，

如果把wait(NULL)一句去掉：

可以看到子行程在退出后會變成僵尸行程，

waitpid

相比于wait，waitpid等待識別符號為pid的子行程退出，將該子行程的退出狀態（退出值、回傳碼、回傳值）保存在引數status中，
其三個引數：

1. pid：待等待子行程的pid，若設定為-1，則等待任意子行程，
2. status：獲取子行程的退出狀態，不關心可設定為NULL，
3. options：規定呼叫的行為，當這個引數設定為WNOHANG表示如果沒有子行程退出，則立即回傳0，不等待子行程退出；設定為WUNTRACED表示回傳一個已經停止但尚未退出的子行程的資訊，

status

status是一個輸出型引數，也就是會一個整形變數的地址傳進去，子行程退出，作業系統會從行程PCB中讀取資訊保存在status指向的變數中，將子行程的退出資訊反饋給父行程，如果傳遞NULL，表示不關心子行程的退出狀態資訊，

status不能簡單的當作整形來看待，可以當作位圖來看待，在status的低16位元位當中，高8位表示行程的退出狀態，即退出碼，行程若是被信號所殺，則低7位表示終止信號，而第8位位元位是core dump標志，

因此如果想檢測行程是否被信號所殺，只需要檢測第七位是否為0即可，如果為0則為正常終止，

以下面的程式為例：

可以看到st之所以是256，是因為正常終止時前八位全是0，后八位才是退出碼，所以如果相獲取退出碼的話需要把st右移八位然后按位與上1111 1111即可，

同時由于只有后八位才是退出碼，因此退出碼不能超過255，否則會因為越界而無法存盤，比如：

如果是被信號所殺且要拿到退出信號，只需要按位與上0x7F即可：

如果這個值為0，就說明沒有收到任何信號：

如果子行程中存在錯誤：

SIGFPE是除零例外信號，

因此可以通過status這個引數判斷子行程是否運行正確，并且判斷其運行成功后的退出碼：

當然上面這些如果自己來寫的話就太麻煩了，所以系統當中提供了兩個宏來獲取退出碼和退出信號：

• WIFEXITED(status)：用于查看行程是否是正常退出，本質是檢查是否收到信號，如果正常終止子行程則為真，相當于!(status&0x7F)
• WEXITSTATUS(status)：如果WIFEXITED(status)非零，則說明正常終止子行程，此時這個宏用于獲取行程的退出碼，相當于(status>>8)&0xFF

因此上面的程式可以改成這樣：

3.2.創建多行程

我們還可以同時創建多個子行程，然后讓父行程依次等待子行程退出：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
	pid_t ids[10];
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		pid_t id = fork();
		if (id == 0){
			//child
			printf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());
			sleep(1);
			//子行程要執行的代碼
			//... ...
			exit(i); //將子行程的退出碼設定為該子行程PID在陣列ids中的下標
		}
		//father
		ids[i] = id;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++){
		int st = 0;
		pid_t ret = waitpid(ids[i], &st, 0);
		if (ret >= 0){
			printf("wiat child success..PID:%d\n", ids[i]);
			if (WIFEXITED(st)){
				//exit normal
				printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(st));
			}
			else{
				//signal killed
				printf("killed by signal %d\n", st & 0x7F);
			}
		}
	}
	return 0;
}

3.3.非阻塞等待子行程

前面提到過，options的引數設定為WNOHANG表示如果沒有子行程退出，則立即回傳0，不等待子行程退出，所以可以使用這個引數讓父行程不等子行程而是做別的事情：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0){
		//child
		int count = 3;
		while (count--){
			printf("child do something...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
			sleep(3);
		}
		exit(0);
	}
	//father
	while (1){
		int st = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &st, WNOHANG);
		if (ret > 0){
			printf("wait child success!\n");
			printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(st));
			break;
		}
		else if (ret == 0){
			printf("child is not quit,check later!\n");
			sleep(1);
		}
		else{
			printf("child exit error!\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

雖然阻塞式等待在等待的時候不能干別的事情，但是計算機中大部分等待方式都是阻塞式等待，因為阻塞式等待更簡單，

3.4.總結

什么是行程等待：是父行程通過wait等待系統呼叫，用來等待子行程狀態的一種現象，

為什么要行程等待：1.防止子行程發生僵尸問題，進而產生記憶體泄漏 2.讀取子行程的行程狀態

四、行程程式替換

父子行程之間代碼是共享的，所以實際上父子行程執行的是同一個程式，若想讓子行程執行另一個和子行程不同的程式，往往需要呼叫exec函式，

程式替換并是創建一個新的行程，因為PCB沒有被重新創建，PID也沒有重新生成，

4.1.行程替換的函式

行程替換的函式一共有六個，統稱exec函式，都在頭檔案<unistd.h>中：

這六個函式的第一個引數代表的是替換的目標程式路徑（路徑或者程式名字），
第二個引數和后面的…代表如何執行目標程式，在命令列中怎么呼叫執行，就怎么傳遞，

exec系列函式如果函式回傳了，或者執行了后續的代碼，那一定是程式替換錯了，因為函式如果呼叫成功，則加載指定的程式并從啟動代碼開始執行，不再回傳，如果呼叫出錯，回傳-1，

這六個函式的名字是由exec加其他字母組成，每個字母表示其引數的含義：

• l(list) : 表示引數采用串列，其引數是可變引數串列，可以傳多個引數，并以NULL結尾，
• v(vector) : 引數用陣列，引數要寫到陣列里，然后傳入一個陣列，
• p(path) : 有p在執行的時候會自動搜索環境變數PATH，帶p的第一個引數是file，不帶p則是path，因為如果要進行程式替換，必須要先找到要替換的程式，以ls為例，帶p的就可以不用傳路徑而是只傳名字就行，因為會自動搜索環境變數，不帶p的則必須傳路徑，
• e(env) : 表示自己維護環境變數

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

由于不帶p不能自動搜索環境變數，因此第一個引數是要執行程式的路徑，第二個引數是可變引數串列，表示如何執行這個程式，并以NULL結尾，

以目標程式是ls -a -l -i為例：

注意這里的"/usr/bin/ls代表的是找到這條命令，后面的"ls","-a","-l"才是執行，所以后面不能省略ls

一旦替換成功，接下來的行程就會執行被替換的程式，原來程式后面的代碼由于已經被替換，就不會執行了，

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

帶上p之后第一個引數就不需要寫全路徑了，因為會自動搜索環境變數，當然如果環境變數中沒有，還是要帶上路徑的：

int execv(const char *path, char *const argv[]);

第一個引數是全路徑，第二個引數是一個陣列，不再是可變引數串列：

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

帶上p之后第一個引數就不需要寫全路徑了，因為會自動搜索環境變數，當然如果環境變數中沒有，還是要帶上路徑的：

int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);

exec系列函式能呼叫系統程式，也可以呼叫自己寫的程式，所以可以在自己寫的程式中呼叫自己定義的環境變數，execle的第三個引數的作用就是傳入一個自己定義的環境變數，比如讓myexe程式呼叫test程式，然后在test輸出自己定義的環境變數MYENV：

4.2. execve

上面這些函式都是基于execve函式做的封裝，只有execve函式才是真正的系統呼叫：

之所以設計這么多的exec函式主要是為了滿足不同的場景需求，

五、實作一個簡單的shell

shell需要執行的邏輯非常簡單，其只需回圈執行以下步驟：

1. 獲取命令列，
2. 決議命令列，
3. 創建子行程，（fork）
4. 替換子行程讓子行程執行指令，（execvp）
5. 等待子行程退出，（wait）

之所以要創建子行程是因為如果要執行的命令錯誤，子行程掛掉并不影響父行程，

#include<stdio.h>  
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

#define SIZE 256
#define NUM 16 //命令列引數的個數
int main()
{
  char cmd[SIZE];
  const char* cmd_line="[hjl@VM-0-16-centos ~]$ ";
  while(1)
  {
    cmd[0]=0;

    printf("%s",cmd_line);
    fgets(cmd,SIZE,stdin);
    cmd[strlen(cmd)-1]='\0';//將最后的'\n'替換為'\0'
    //將命令字串分割
    char*args[NUM];
    args[0]=strtok(cmd," ");    
    int i=1;    
    do    
    {    
      args[i]=strtok(NULL," ");    
      if(args[i]==NULL)    
      {    
        break;    
      }    
      i++;    
    }while(1);   
    //創建子行程讓其執行命令字串  
    pid_t id=fork();    
    if(id<0)    
    {    
      perror("fork error!\n");  
      continue;
    }
    if(id==0)//子行程
    {
      execvp(args[0],args);//替換子行程使用exec系列函式
      exit(1);
    }
    int status=0;
    pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
    if(ret>0)
    {
      printf("status code:%d\n",(status>>8)&0xFF);
    }
    

  }

  return 0;
}                        

六、補充和總結內容

行程創建的兩種方式：1.運行一個可執行程式（由bash創建）2.fork創建（由我們自己創建）

行程創建出來，作業系統除了將行程的二進制代碼和資料加載到記憶體之外，為了便于管理還要給行程創建對應的資料結構（PCB、地址空間、頁表等）

父子行程相互之間是獨立的，不會相互影響，資料各自私有，采用寫時拷貝

在行程的任何一個地方呼叫exit()都會終止行程，return只會終止當前函式，exit()和_exit()的區別在于exit()會做一系列清理作業（執行清理函式，沖刷緩沖區等），

終止一個行程時作業系統要回收行程的資源，代碼和資料可以優先被釋放（因為永遠也不會被訪問了），資料結構釋放的比較晚（因為要記錄退出資訊），

行程替換是將原來行程的資料結構大體不變的情況下（PCB不變，頁表的映射關系改變），將新程式的代碼和資料覆寫原來的行程，程式替換要由作業系統來完成，因為新程式存盤在磁盤上，而行程在記憶體中，