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Linux进程控制&&进程等待&&程序替换&&实现minishell
一、进程创建
1.1 fork的使用
我们可以使用man指令来查看一下
子进程会复制父进程的PCB，之间代码共享，数据独有，拥有各自的进程虚拟地址空间。
这里就有一个代码共享，并且子进程是拷贝了父进程的PCB，虽然他们各自拥有自己的进程虚拟地址空间，数据是拷贝过来的，通过页表映射到同一块物理内存中。
大概流程可以看一下下图：
在上图中我们还可以看到返回类型是
pid_t，如果创建子进程失败，会返回小于0的数字，而如果创建子进程成功，该函数则会返回俩个值。它会给子进程返回0值，而给父进程返回子进程的pid（一个大于0的数），创建成功后我们可以对此进行使用if语句进行分流下面简单验证再来验证一下：
很显而易见，这里的地址是虚拟的地址空间，真正的值是存储在物理内存中的。而这时通过页表的映射，本质上内存中已经是指向了不同的物理地址
二、进程终止
2.1 终止是在做什么？
释放内核数据结构—>task_struct：Z（僵尸状态）
2.2 终止的3种情况&&退出码的理解
- 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
在上面的1和2中可通过退出码进行决定，这里什么是退出码呢？我们在C语言每次写的时候为什么最后写一个
return 0呢？这里我们可以实验一下：这里我们还要了解一个命令
作用是打印出上一次进程的退出码，而我们C语言刚刚最后写的退出码是1，最后记录了刚刚的退出码，所以打印的是
1
- 第三个是代码执行的时候出现了异常，被提前退出了，我们可以再来验证一下：
- 下面这个代码很明显是野指针的访问：
- 在编译运行的时候，出现了异常，提前退出了，操作系统发现了不该做的事情，OS杀死了进程
- 一旦出现了异常，退出码也就没有意义了，那么为什么出现了异常，是因为进程收到了OS发给进程的信号
在Linux中，可以使用
kill -l查看所表示的信号，可以看到0表示成功~，所以一般正常运行完成之后退出码就写成0，非0表示失败
退出码（退出状态）可以告诉我们最后一次执行的命令的状态。在命令结束以后，我们可以知道命令是成功完成的还是以错误结束的。其基本思想是，程序返回退出代码 0 时表示执行成功，没有问题。代码1或0以外的任何代码都被视为不成功。
Linux Shell 中的主要退出码：
- 退出码 0 表示命令执行无误，这是完成命令的理想状态。
- 退出码 1 我们也可以将其解释为 “不被允许的操作”。例如在没有 sudo 权限的情况下使用yum；再例如除以 0 等操作也会返回错误码 1 ，对应的命令为
let a=1/0
130（SIGINT或^C）和143（SIGTERM）等终止信号是非常典型的，它们属于128+n信号，其中 n 代表终止码。
- 可以使用strerror函数来获取退出码对应的描述。
2.3 进程常见退出方法
- 正常退出
- 从main函数返回
- 调用exit函数
- 调用_exit函数
- 异常退出
- Ctrl+C，信号终止等
在我们平时使用的kill -9就是给OS发送一个信号，对程序做出动作
- 例如，使用-9信号杀死进程
- 刚刚上面的段错误就可以发送11
- 每个对应的编号都有对应的错误描述
exit退出函数和_exit退出函数：
可以使用man手册来查看
stauts定义了进程的终止状态，由用户自己传递，父进程可以通过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是库函数，_exit是系统调用函数，而库函数内部封装了系统调用。 也就是说，调用exit函数最终也会调用_exit来使进程退出，只不过在其调用_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。
- 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
- 调用_exit
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。
也就是说衡量一个进程退出，我们只需要两个数字：退出码和退出信号
三、进程等待
3.1 为什么要进行进程等待？
如果子进程先于父进程退出，而父进程并没有关心子进程的退出状况，从而无法回收子进程的资源，就会导致子进程变成僵尸进程，这里的僵尸状态使用kill也杀不掉，会导致内存泄露
如果想要解决这个僵尸状态就要进行进程等待，等待父进程回收子进程的资源，获取子进程的退出状态
在父进程中，使用wait或waitpid接口来完成进程等待。
这里的参数是一级指针
status，它其实是个输出型参数，用于获取子进程的退出状态，如果不关心则可以设置为NULL成功会返回被等待进程的pid，失败则会返回-1
waitpid：
参数：
- pid，设置成-1则表示等待任意一个子进程，同wait；如果>0则表示等待一个指定的子进程，pid就是被等待子进程的进程号
- status，获取子进程的退出状态，同wait
- options，可以设置为0或WNOHANG。设置为0则与wait一样，如果没有等待到子进程退出会一直阻塞；而设置为
WNOHANG则表示非阻塞，如果被等待的子进程未退出，则会返回0值，成功等待到子进程则会返回被等待子进程的pid
3.2 取子进程退出信息status
- 我们已经知道status是一个出参，由操作系统为其赋值，用户可以传递NULL值表示不关心，而如果传入参数，操作系统就会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程，由status最终被赋予的值来体现。
如何通过status来获取子进程的退出信息呢？
- status是一个int类型的值，意味着它应该有32个比特位，但它又不能被当初普通的整形来看待，因为其高16位的值并不被使用，而只使用其低16个比特位：
不论是正常退出还是异常退出，status的高8个比特位（只讨论低16个比特位）都表示子进程的退出码，而这个退出码一般是return的返回值或者exit的参数；正常退出时，status的低8个比特位为全0；而异常退出时，其第8个比特位则为core dump标志位，用来标志是否会有core dump文件产生，而低7个比特位则是退出信号。
退出码：(status >> 8) & 0xFF
低7位（检测子进程是否异常退出）：status & 0x7F
- 结果为0则表示正常退出
- 不为0则说明是异常退出，因为有终止信号
- core dump标志位：
(status >> 7) & 0x1
- 结果为0则表示没有core dump产生
- 等于1则说明有core dump产生
- 执行结果
我们还可以演示一下异常退出
- 我们在子进程里写一个野指针访问
- 这里也就很显而易见了，退出信号就是11，而退出码就无用了
3.3 宏WIFEXITED和WEXITSTATUS（获取进程终止情况和退出码）
- WIFEXITED(status)：若子进程是正常终止，则返回结果为真，用于查看进程是否正常退出。
- WEXITSTATUS(status)：若进程正常终止，也就是进程终止信号为0，这时候会返回子进程的退出码。
下面我们可以写一个代码来演示一下
- 正常退出
- 异常退出
3.4 进程的阻塞和非阻塞等待
当子进程还没有死的时候，也就是没有退出的时候，父进程调用的wait或waitpit需要等待子进程退出，系统调用接口也不返回，这段时间父进程什么都没做，就一直等待子进程退出，这样的等待方式，称之为阻塞式等待。
非阻塞式等待就是不停的检测子进程状态，每一次检测之后，系统调用立即返回，在waitpid中的第三个参数设置为WNOHANG，即为父进程非阻塞式等待。
如果等待的子进程状态没有发生变化，则waitpid会返回0值。多次非阻塞等待子进程，直到子进程退出，这样的等待方式又称之为轮询。如果等待的进程不是当前父进程的子进程，则waitpid会调用失败。
非阻塞等待有一个好处就是，不会像阻塞式等待一样，父进程什么都做不了，而是在轮询期间，父进程还可以做其他的事情。
下面代码中，利用了回调函数的方式，来让父进程轮询等待子进程期间，还可以处理其他任务。
或者可以使用C和C++混编的方来写
- 创建任务
Task.hpp
Tool.hpp
- 代码实现：父进程循环执行任务
waitpid本质是获取子进程
task_struct内的属性数据，和getpid没区别，它调用完毕的时候，也会让os释放目标task_struct每个task_struct里有
exit_code, exit_signal，是要保存下来退出码和退出状态
这就是为什么子进程退出，Z状态，不能释放task_struct，要让父进程进行读取
四、进程的程序替换
4.1 创建子进程的目的？
创建子进程一般两个目的：
- 让子进程执行父进程代码的一部分，也就是执行父进程对应的磁盘上的代码和数据的一部分。
- 让子进程加载磁盘上指定的程序到内存中，使其执行新的程序的代码和数据，这就是进程的程序替换。
4.2 进程的程序替换
4.2.1 单个进程的程序替换
下面函数参数是可变参数列表，可以给C语言函数传递不同个数的参数。
通过man指令可以查看
要执行一个程序，首先就是找到这个程序，然后在执行这个程序，执行程序的时候，也拥有不同的执行方式，通过执行选项的不同便可以使得程序以多种不同的方式执行。
例如：
- 可以看到只打印了一行run，紧接着是执行后面替换的程序
- exec系列的函数只有在调用失败的时候才有返回值，这个返回值是-1，那为什么exec系列的函数没有调用成功时的返回值呢？
答案：没有必要，因为exec系列函数调用结束之后，代码就全都被替换了，就算给你返回值你也使用不了，因为代码全都替换为指定程序的代码了，所以只要exec系列函数返回，那就一定发生调用错误了。
例如：随便写一个命令，这个命令是不在这个目录里的
4.2.2 父进程派生子进程的程序替换
子进程被替换为ls进程，不会影响父进程，因为进程具有独立性。
4.3 进程替换原理
用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程所以调用exec前后该进程的id并未改变。
当父进程派生的子进程发生程序替换时，防止父子进程原先共享的代码段和数据段被修改，操作系统会进行写时拷贝，将代码段和数据段重新复制一份给子进程，让子进程程序替换之后，不会影响父进程。这就是进程之间的独立性。
虚拟地址空间和页表可以保证进程之间的独立性，一旦有执行流要改变代码或数据，就会发生写时拷贝。所以不是只有数据可能发生写入，代码也是有可能发生写入的，这两种情况都会发生写时拷贝。
通过上面认识知道：在我们用命令行使用ls之类的命令，父进程bash
fork出一个子进程，然后调用exec*，父进程wait就可以了！五、替换函数
- l代表list，指的是将参数一个一个的传入
execl函数
int execl(const char path, const char arg, …);
- p是指path，不用传程序的路径，只需要传程序的名字就够了，此函数会自动在PATH环境变量的路径下面去查找对应的程序。
- execlp中的两个ls是不重复的，一个是告诉操作系统要执行什么程序（无论是Python脚本，还是shell语言脚本等等都可以执行！！！），一个是告诉操作系统怎么执行程序。
int execlp(const char file, const char arg, …);
- v是指vector，指的是该函数可以将所有的执行参数放到数组里面，统一进行传参，而不是使用可变参数列表的方式，来一个一个的传执行参数。
int execv(const char path, char const argv[]);
- PATH和vector，指的是不用传程序路径，默认在环境变量中进行查找并且可以将执行参数放到数组里面，统一进行传参
int execvp(const char file, char const argv[]);
- execle中的e代表自定义环境变量。
- 下面定义的env指针数组就是自定义环境变量，也就意味着，程序替换的时候，不用系统环境变量，用自己定义的环境变量。
int execle(const char path, const char arg,…, char * const envp[]);
- 也可以不传自定义环境变量，而用系统的环境变量传给子进程替换的程序，只不过替换的程序mybin.c没有打印出来全部的环境变量，而是只打印了PATH和PWD的值。
其实上面那些函数都不在2号手册
int execvpe(const char file, char const argv[],char *const envp[]);
- execvpe其实就是
vector+PATH+env，我们需要自己传环境变量，并且不用可变参数列表的方式传执行参数，而是用指针数组的方式来一并将执行参数传递，传程序名时可以不带程序路径，系统会帮我们找。
- 带e的函数都需要自己组装环境变量，可以选择自己的、或系统的、或系统和自己的环境变量。
- 传递环境变量表，默认是摒弃老的环境变量，使用你自己设置的全新的环境变量表。如果你要用系统提供的，你就传入系统的环境变量表
- 真正执行程序替换的其实只有execve这一个系统调用接口，其他的6个都是在execve的基础上封装得来的。只有execve在man2号手册，其他都在3号手册。
下图exec函数族，一个完整的例子：
- 其中
l和v的区别在于程序运行参数的赋予方式不同，l是通过函数参数逐个给与，最终以NULL结尾，而v是通过字符指针数组一次性给与。
- 其中有没有
*p**的区别在于程序是否需要带路径，也就是是否会默认到path环境变量指定的路径下寻找程序，没有p的需要指定路径，有p的会默认到path环境变量指定路径下寻找
- 其中有没有
*e**的区别在于程序是否需要自定义环境变量，没有e则默认使用父进程环境变量，有e则自定义环境变量。
最后在写makefile的时候我们想让两个源文件进行编译，我们可以在makefile中添加一个：
exec函数族代码示例：
六、自己实现简易shell
要写一个shell，需要循环以下过程:
- 获取命令行
- 解析命令行
- 建立一个子进程（fork）
- 替换子进程（execvp）
- 父进程等待子进程退出（wait）
6.1 shell代码使用C实现
6.2 什么是当前路径？（当前进程的工作目录 && cd底层实现用chdir）
- 查看进程的指令：
- 可以看到进程有两个路径，一个是cwd一个是exe，exe路径代表当前进程执行的是磁盘上的哪个路径下的程序，可以看到执行的是myproc二进制可执行程序，cwd代表current work directory，代表当前进程的工作目录，所以实际上当前路径就是当前进程的工作目录。
- 在模拟shell的实现代码中，cd到其他目录，pwd之后的路径实际上是没有变化的，因为pwd实际上pwd的是父进程shell的路径，而父进程的cwd路径始终是未改变的，而执行cd命令的是子进程，所以子进程的cwd路径是会改变的。
- 系统给我们提供了一个系统调用接口叫做
chdir，用于改变当前进程的工作目录cwd路径，实际上cd能够进入指定路径下的目录，底层实现上就是改变了shell（bash）进程的cwd路径，所以pwd时，随时随地打印出来的就是shell进程的工作目录。
- 所以如果我们模拟实现的shell也想实现cd改变路径的功能，实际上是不可以创建子进程的，因为子进程程序替换执行cd，父进程的工作目录是没有改变的，所以直接将这一种情况单独拿出来进行判断，在这种情况下，直接让父进程执行cd命令，修改父进程的工作目录即可。
6.3 shell内建/内置命令（shell自己执行的命令，而不是派生子进程进行程序替换来执行）
- 像上面的cd命令实际上就是shell的内建命令，因为这样的命令不需要派生子进程来进行程序替换执行，直接让父进程执行就ok，这样的指令就是shell自带的命令，我们称之为内建命令或内置命令。
- 这也就能解释为什么echo能够打印本地变量了，我们之前将echo理解为一个可执行程序，也就是shell的子进程，但是我们说子进程只能继承父进程的环境变量，而不能继承本地变量，所以当时就陷入echo为什么能够打印出本地变量的疑问当中，因为如果echo是子进程的话，他是没有继承本地变量的。
- 但现在我们就知道原因了，echo实际上不是shell的子进程，而是shell的内建命令，是shell自己来执行的指令，shell当然拥有本地变量了，当然也就能够打印本地变量。
6.4 shell代码使用C和C++混编实现
- makefile
- main.cc
- myshell.h
- myshell.h