进程控制,父子进程

学习重点

1. 进程控制

   主要需要通过进程控制回答以下问题：

   • 在OS的支持下，进程具体是如何启动起来的?

     详细介绍程序是如何运行起来，演变为进程的

     • 也就是通过exec加载程序后，进程启动起来的具体过程

     学完本部分就会知道：

     双击快捷图标，或者在命令行执行./a.out后，程序运行起来的背后原理

   • 有OS支持时，main函数return，或者使用exit、_exit所返回的返回值到底给了谁，有什么意义

   为什么在平时，这个返回值我们会感觉到并没有什么用处

   • java的进程是如何运行起来的

   程序在内存中运行起来后就演变为了进程

   • 但是由于java需要虚拟机来解释执行，中间夹一个虚拟机，所以要单独理解java进程是如何产生的

   与java类似的C#、pyhton等的程序，都是相同的运行过程

   • 什么情况下的程序才会涉及到多进程呢

     不过一般我们写程序都是单进程的

2. 进程关系

​ 基于OS运行的进程很多，众多进程之间往往存在着一定的关系，在这一部分会具体介绍进程之间有哪些关系

3. 守护进程

   OS启动起来以后，会有很多我们平时看不见的，但是一直在默默运行的后台进程，这些后台进程大多其实是守护进程

   

进程控制

• 对于程序员来说，编写程序时有各种语言的区分
• 但是文字编码形式的程序一旦被转为机器指令被CPU执行时，对于CPU来说全都是一样的，没有任何区别

• 所有程序(c++,java)在Linux OS上运行起来，演变为进程时，都有着相同的启动过程
• 有关进程控制的API，可以用来加载运行所有语言编写的程序

进程相关知识

将程序代码从硬盘拷贝到内存上，在内存上动态运行的程序就是进程

多进程并发运行

有OS支持时，会有很多的进程在运行，这些进程都是并发运行的

并发运行：

就是CPU轮换的执行

当前进程执行了一个短暂的时间片（ms）后，切换执行另一个进程，如此循环往复

• 由于时间片很短,在宏观上我们会感觉到所有的进程都是在同时运行的
• 但是在微观上cpu每次只执行某一个进程的指令

当然我们这里说的单核cpu的情况

多核CPU：并发与并行是同时存在的

进程号

OS为了能够更好地管理进程，为每个进程分配了一个唯一的编号（非负整数），这个编号就是PID

PID用来唯一标识一个进程

​ 如果当前进程结束了，这个PID可以被可以被重复使用，但是所有“活着”的进程，它们的进程ID一定都是唯一的

• 进程号在系统调用时可以作为传入参数或者返回值

PID放在了哪里？

PID放在了该进程的task_struct结构体变量中

进程在运行的过程中：OS会去管理进程，这就涉及到很多的管理信息；

OS为了管理进程，会为每一个进程创建一个task_struct结构体变量，里面放了各种的该进程的管理信息

三个特殊进程0，1，2

0、1、2这个三个进程，是OS启动起来后会一直默默运行的进程，直到关机OS结束运行

这三个进程非常重要

1. 进程 PID == 0

   • 这个进程被称为调度进程

   • 功能是实现进程间的调度和切换

     该进程根据调度算法，让CPU轮换的执行所有的进程

   • 当pc指向不同的进程时，cpu就去执行不同的进程，这样就能实现切换,同时保存被切换进程的现场

   这个进程怎么来的?
   这个进程就是由OS演变来的，OS启动起来后，最后有一部分代码会持续的运行，这个就是PID==0的进程。
   由于这个进程是OS的一部分，凡是由OS代码演变来的进程，都称之为系统进程。
   

2. 进程 PID == 1

   • 作用：

     1. 初始化
     2. 托管孤儿进程
     3. 原始父进程-----就是它是最父的进程，用来创建子进程

   初始化

   • 这个进程被称为init进程

   • 作用是:

     它会去读取各种各样的系统文件，使用文件中的数据来初始化OS的启动，让我们的OS进入多用户状态，也就是让OS支持多用户的登录

   • 这个进程不是OS演变来的，也就是说这个进程的代码不属于OS的代码，这个进程是一个独立的程序
   • 该PID==1的程序代码放在了/sbin/init下，当OS启动起来后，OS会去执行init程序，将它的代码加载到内存，这个进程就运行起来了

3. 进程 PID == 2

• 该进程是守护进程或精灵进程，精灵进程也叫守护进程
• 作用：专门负责虚拟内存的请页操作

当OS支持虚拟内存机制时，加载应用程序到内存时，并不会进行完整的代码拷贝，只会拷贝当前要运行的那部分代码，当这部分代码运行完毕后，会再拷贝另一部分需要运行的代码到内存中，拷贝时是按照一页一页来操作的，每一页大概4096字节，这就是换页操作。

与调度进程一样，也是一个系统进程，代码属于OS的一部分

获取进程相关的ID函数

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//获取调用该函数进程的进程ID(哪个函数调用它，返回的就是哪个)
pid_t getpid(void);
//p:parent p:process  
//获取调用该函数进程的父进程ID
pid_t getppid(void);

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
//获取调用该函数进程的用户ID(在哪个用户下调用该进程)
uid_t getuid(void);
//获取用户组的ID，也就是调用该函数的那个进程，它的用户所在用户组的组ID
uid_t getgid(void);

返回值：返回各种ID值，不会调用失败，永远都是成功的

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
int main(void){
    //pid_t getpid(void);
    pid_t pid=getpid();
    printf("%u\n",pid);
    //pid_t getppid(void);
    pid_t pid_parent=getppid();
    printf("%u\n",pid_parent);
    //uid_t getuid(void);
    uid_t uid=getuid();
    printf("%d\n",uid);
    //uid_t geteuid(void);
    uid_t gid=getgid();
    printf("%d\n",gid);
    return 0;
}

父进程就是当前终端窗口bash,因为在这个窗口执行的。

vi /etc/passwd

guojiawei❌1000:1000:guojiawei,:/home/guojiawei:/bin/bash

fork()

程序运行的三个过程：

（1）在内存中划出一片内存空间
（2）将硬盘上可执行文件中的代码（机器指令）拷贝到划出的内存空间中
（3）pc指向第一条指令，cpu取指运行

当有OS时，以上过程肯定都是通过调用相应的API来实现的。

在Linux下，OS提供两个非常关键的API，一个是fork，另一个是exec

• fork：开辟出一块内存空间

• exec：将程序代码（机器指令）拷贝到开辟的内存空间中，并让pc指向第一条指令，CPU开始执行，进程就运行起来了

  运行起来的进程会与其它的进程切换着并发运行

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//pid_t  无符号整型
//从调用该函数的进程复制出子进程，被复制的进程则被称为父进程，复制出来的进程称为子进程
pid_t fork(void);

复制后有两个结果：

1. 依照父进程内存空间样子，原样复制地开辟出子进程的内存空间
2. 由于子进程的空间是原样复制的父进程空间，因此子进程内存空间中的代码和数据和父进程完全相同

复制父进程的主要目的:

• 就是为了复制出一块内存空间

• 只不过复制的附带效果是，子进程原样的拷贝了一份父进程的代码和数据

  事实上复制出子进程内存空间的主要目的，其实是为了exec加载新程序的代码

   由于子进程原样复制了父进程的代码，因此父子进程都会执行fork函数
        "当然这个说法有些欠妥，但是暂且这么理解"
	1）父进程的fork，成功返回子进程的PID，失败返回-1，errno被设置。
	2）子进程的fork，成功返回0，失败返回-1，errno被设置。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
int main(void){
    //pid_t fork(void);
    pid_t ret=fork();
    printf("%d,ret=%d\n",getpid(),ret);
    while(1);//为了能够查到进程pid,不然程序结束后会被杀死
    return 0;
}
/*
guojiawei@ubantu-gjw:~/Desktop/process_control$ ./a.out 
12648,ret=12649
12649,ret=0
*/

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
int main(void){
    pid_t ret=fork();
    /*区分父子进程*/
    if(ret >0){//父进程返回值是子进程pid,大于0
        printf("parent PID=%d\n",getpid());
        printf("parent ret=%d\n",ret);
    }
    else if(ret ==0){//子进程返回0
        printf("child PID=%d\n",getpid());
        printf("child ret=%d\n",ret);
    }
    printf("hello,world\n");
    return 0;
}

guojiawei@ubantu-gjw:~/Desktop/process_control$ ./a.out 
parent PID=13154
parent ret=13155
hello,world
child PID=13155
child ret=0
hello,world

上述代码：父子进程各有一份拷贝，但是父子进程可以根据if条件各自做不同的事

复制的原理

• Linux有虚拟内存机制，所以父进程是运行在虚拟内存上的，虚拟内存是OS通过数据结构基于物理内存模拟出来的，因此底层的对应的还是物理内存。
• 复制时子进程时，会复制父进程的虚拟内存数据结构，那么就得到了子进程的虚拟内存，相应的底层会对应着一片新的物理内存空间，里面放了与父进程一模一样代码和数据

父进程在os上基于物理内存复制出一系列数据结构得到虚拟内存；子进程fork时候，完全复制父进程的代码和数据，而且在新开辟的内存中存储和父进程一样的内容

此时只要通过exec在子进程中加载新的程序，就可以实现开辟内存的效果

父子进程各自执行哪些代码

int main(void){
    printf("before fork()\n");
    pid_t ret=fork();
    /*区分父子进程*/
    if(ret >0){//父进程返回值是子进程pid,大于0
        printf("parent PID=%d\n",getpid());
        printf("parent ret=%d\n",ret);
    }
    else if(ret ==0){//子进程返回0
        printf("child PID=%d\n",getpid());
        printf("child ret=%d\n",ret);
    }
    printf("after fork\n");
    return 0;
}

guojiawei@ubantu-gjw:~/Desktop/process_control$ ./a.out 
before fork()
parent PID=14206
parent ret=14207
after fork
child PID=14207
child ret=0
after fork

父子进程代码都相同

• 父进程会执行fork()之前的语句，子进程只会执行fork()之后的语句
• 父子进程的返回值不同，会根据if条件选择性执行

尽管子进程复制了这段代码，但是子进程并不会执行，子进程只从fork开始执行

解释子进程打印出：before fork()

• 首先子进程复制了整个父进程程序，但是子进程不会执行fork()之前的语句
• printf()是行缓冲，如果没\n，也就是没写满一行，会挤压在缓冲区
• 这里的before fork()是直接从父进程复制的数据结构，然后随着第一个\n一起打印

父子进程共享操作文件

分为两种情况：

• 情况1：父子进程分别独立打开同一个文件

• 情况2：fork之前打开文件，也就是父进程事先打开，父子进程共享

独立打开文件

涉及到的两个进程是父子关系,独立打开同一文件实现共享操作

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
int main(void){
   pid_t ret=0;
   int fd=0;
   ret=fork();//创建子进程
   if(ret>0){//父进程操作
      fd=open("mm.txt",O_RDWR|O_CREAT,0664);
      write(fd,"hello\n",6);
   }
   else if(ret==0){//子进程操作
      fd=open("mm.txt",O_RDWR|O_CREAT,0664);
      write(fd,"world\n",6);
   }
   return 0;
}
/*
执行结果：world-------子进程覆盖了父进程
*/

原因：

由于父子进程单独打开文件，所以父子进程各自的进程表中，存放着单独的文件表，笔尖位置相同，由于打开同一个文件，最终节点指针指向同一个V节点，从而发生了覆盖

• 独立打开同一文件时，父子进程各自的文件描述符，指向的是不同的文件表

• 如果不想相互覆盖，需要加O_APPEND标志。

• #include <sys/types.h>
  #include <unistd.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/stat.h>
  #include <fcntl.h>
  #include <stdio.h>
  int main(void){
     pid_t ret=0;
     int fd=0;
     ret=fork();//创建子进程
     if(ret>0){//父进程操作
        fd=open("mm.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_APPEND,0664);
        write(fd,"hello\n",6);
     }
     else if(ret==0){//子进程操作
        fd=open("mm.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_APPEND,0664);
        write(fd,"world\n",6);
     }
     return 0;
  }
  

fork之前打开文件

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
int main(void){
   pid_t ret=0;
   int fd=open("mm.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);
   ret=fork();//创建子进程
   if(ret>0){//父进程操作
      write(fd,"hello\n",6);
   }
   else if(ret==0){//子进程操作
      write(fd,"world\n",6);
   }
   return 0;
}

子进程会继承父进程已经打开的文件描述符，如果父进程的3描述符指向了某个文件，子进程所继承的文件描述符3也会指向这个文件

像这种继承的情况，父子进程这两个相同的“文件描述符”指向的是相同的“文件表”

0,1,2文件：

​ 子进程的0 1 2这三个打开的文件描述符，其实也是从父进程那里继承过来的，并不是子进程自己去打开的，同样的父进程的0 1 2又是从它的父进程那里继承过来的，最根溯源的话，都是从最原始的进程哪里继承过来的

init进程会去打开标准输入，标注输出、标准出错输出这三个文件，然后0 1 2分别指向打开的文件，之后所有进程的0 1 2，实际上都是从最开始的init进程那里继承而来的。

子进程会继承父进程的属性

     	（1）用户ID，用户组ID
		（2）进程组ID
		（3）会话期ID
		（4）控制终端
		（5）当前工作目录
		（6）根目录（/）
		（7）文件创建方式屏蔽字(unmask)
		（8）环境变量
		（9）打开的文件描述符
			等等

子进程独立的属性:
（1）进程ID
（2）不同的父进程ID
（3）父进程设置的锁，子进程不能被继承