程序的建立、等待、退出以及程式替換
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1.程序建立
1）fork函式
fork函式從已經存在的程序中建立一個新程序，新程序為子程序，而原程序為父程序。
程序呼叫fork，當控制轉移到核心中的fork程式碼後核心。
- 分配新的記憶體塊和核心資料結構給子程序
- 將父程序部分資料結構內容拷貝到子程序
- 新增子程序到系統程序列表中
- fork返回，開始排程器排程
fork有兩個返回值，一個接受值（一父多子，一子一父）。
子程序返回0。
父程序返回子程序的PID。
失敗返回-1。
父子程序程式碼共享，資料各自開闢空間，私有一份（採用寫時拷貝）。
fork之後通常用if進行分流,父子程序執行具有獨立性，由排程演算法決定。
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
int ret =fork();
if(ret<0){
perror("fork");
return 1;
}
else if(ret == 0){//child
printf("I am child : %d,ret : %d\n",getpid(),ret);
}else{//father
printf("I am parent : %d,ret : %d\n",getpid(),ret);
}
sleep(1);
return 0;
}
2）排程演算法瞭解
1.時間片輪轉排程演算法（RR） : 給每個程序固定的執行時間，根據程序到達的先後順序讓程序在單位時間片內執行，執行完成後便排程下一個程序執行，時間片輪轉排程不考慮程序等待時間和執行時間，屬於搶佔式排程。優點是兼顧長短作業；缺點是平均等待時間較長，上下文切換較費時。適用於分時系統。
先來先服務排程演算法（FCFS） ：根據程序到達的先後順序執行程序，不考慮等待時間和執行時間，會產生飢餓現象。屬於非搶佔式排程，優點是公平，實現簡單；缺點是不利於短作業。
優先順序排程演算法 （HPF）：在程序等待佇列中選擇優先順序最高的來執行。
多級反饋佇列排程演算法 ：將時間片輪轉與優先順序排程相結合，把程序按優先順序分成不同的佇列，先按優先順序排程，優先順序相同的，按時間片輪轉。優點是兼顧長短作業，有較好的響應時間，可行性強，適用於各種作業環境。
高響應比優先排程演算法 ：根據“響應比=（程序執行時間+程序等待時間）/ 程序執行時間”這個公式得到的響應比來進行排程。高響應比優先演算法在等待時間相同的情況下，作業執行的時間越短，響應比越高，滿足段任務優先，同時響應比會隨著等待時間增加而變大，優先順序會提高，能夠避免飢餓現象。優點是兼顧長短作業，缺點是計算響應比開銷大，適用於批處理系統。
3）fork的寫時拷貝
通常父子程式碼共享，父子不再寫入時，資料也是共享的，當任意一方試圖寫入，便以寫時拷貝方式各自一份副本。
寫時拷貝考慮因素
- 記憶體資源
- 效能，更合理的使用空間
4）fork呼叫失敗原因
- 系統中有太多的程序
- 實際使用者的程序數量超過了限制
5）vfork函式
-
vfork也是用於建立子程序。而vfork之後的父子程序共享地址空間，也就是說他們除了PCB不一樣，別的都一樣，fork的子程序則具有獨立的地址空間。
-
vfork的子程序保證讓子程序先執行，在呼叫exec後父程序才可能被排程。
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int num=30;
int main()
{
pid_t id=vfork();
if(id<0){
perror("use fork");
exit(1);
}
else if(id==0){//child
sleep(4);
num=80;
printf("child:num=%d\n",num);
exit(0);
}
else{//parent
printf("parent:num=%d\n",num);
}
return 0;
}
執行結果是：先等待4秒，然後先執行子程序，而子程序對資料修改為80，，父程序也是80，子程序直接改變了父程序的變數值，因為子程序在父程序的地址空間執行。
2.程序等待
1)程序等待的必要性
1.子程序退出，父程序如果不管不顧，就可能造成“殭屍狀態”，進而造成記憶體洩漏
2.程序一旦變成殭屍狀態，就刀匠不如，kill -9也無能為力
3.父程序派給子程序的任務完成的如何，我們需要知道，如：子程序執行完成，結果對還是不對，或者是否正常退出
4.父程序通過程序等待的方式，回收子程序，獲取子程序退出資訊。
2)程序等待的方法
1>wait
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int status);
返回值：
成功返回被等待程序pid，失敗返回-1.
引數：
輸出型引數，獲取子程序退出狀態，不關心則可以設定成為NULL
程序呼叫wait後會阻塞自己，分析是否存在殭屍子程序，找到就銷燬並返回，沒找到就一直阻塞。wait只要有一個退出，父程序知道子程序id
2>waitpid
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.>
pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int options);d
3)返回值
當正常返回的時候waitpid返回收集到的子程序的程序ID；
如果設定了選項WNOHANG，而呼叫中waitpid發現沒有已經退出的子程序可收集，則返回0；
如果呼叫中出錯，則返回-1，這時error會被設定成相應的值以指示錯誤所在。
4)引數
1>pid
pid>0，等待其程序ID與pid相等的子程序，只要等待的子程序還沒有結束，waitpid就會一直等下去。
pid=-1,等待任一個子程序，與wait等效。
pid=0，等待同一個程序組中的任何子程序，如果子程序已經加入到別的程序waitpid便不會再對它進行處理。
pid<-1,等待一個指定程序組中的任何子程序，這個程序組的id等於pid的絕對值。
2>status
1.WIFEXITED(status) 判斷子程序是否為正常退出的，如果是，它會返回一個非零值
2.WEXITSTATUS(status) 當WIFEXITED返回非零值時，我們可以用這個巨集 來提取子程序的退出碼，如果子程序呼叫exit(25)退出，WEXITSTATUS(status)就會返回25。如果程序不是正常退出的，WIFEXITED返回0，這個值就無意義。
3>options
WNOHANG（非阻塞 1）:若pid指定的子程序沒有結束，則waitpid()函式返回0，不予以等待，若正常結束，則返回該子程序的ID。
WUNTRACED（阻塞 0）
這是兩個常數，可以使用“|”把他們連起來使用，eg:waitpid(-1,NULL,WNOHANG|WUNTRACED);
如果不使用設為0就好，(-1,NULL,0);
阻塞與非阻塞理解：假如夢先生在等燒水，阻塞式表示他一直在等，子程序沒有退出，父程序就卡住；非阻塞式表示，他可以在等的過程中幹別的比如玩玩手機，聊聊天什麼，子程序沒退出，父程序可退出，不會卡住。
5)獲取子程序的status
- wait和waitpid，都有一個status引數，該引數是一個輸出型引數，由作業系統填充
- 如果傳遞NULL，表示不關心子程序的退出狀態資訊
- 否則，作業系統會根據該引數，將子程序的子程序資訊反饋給父程序
- status不能簡單的當做整型來看待，只有它的低16位被用作status，可以當做點陣圖來看待，具體細節如下：
正常終止次2低8位（8-15）是退出碼，0~7是0。
被訊號殺死，status的低7位是退出碼。
6）wait使用
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main(){
pid_t pid=fork();
if(pid==-1){
perror("use fork");
exit(1);
}
else if(pid==0){//child
sleep(5);
exit(10);
}
else{//parent
int st;//status
int ret=wait(&st);
if(ret>0&&(st&0X7F)==0)
printf("child exit code is [%d]\n",(st>>8)&0XFF);
else
printf("sig code is[%d]\n",st&0X7F);
}
}
開啟兩個終端，一個執行後，開啟另一個終端，殺死子程序，再執行一次。
7）waitpid的使用
阻塞式
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<unistd.h>
int main(){
pid_t id=fork();
if(id<0){
perror("use fork");
exit(1);
}
else if(id==0){//child
printf("child is run,pid is [%d]\n",getpid());
sleep(5);
exit(37);
}
else{//parent
int st;//status
pid_t ret=waitpid(-1,&st,0);//0代表阻塞式
printf("this is test for waitpid\n");
if(WIFEXITED(st)&&ret==id)//WIFEXITED判斷是否正常返回
printf("wait child 5s success,child return code is [%d]\n",WEXITSTATUS(st));
//WEXITSTATUS巨集獲取退出碼
else{
printf("wait child failed,return.\n");
return 1;
}
}
return 0;
}
非阻塞式
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<unistd.h>
int main(){
pid_t id=fork();
if(id<0){
perror("use fork");
exit(1);
}
else if(id==0){//child
printf("child is run,pid is [%d]\n",getpid());
sleep(5);
exit(1);
}
else{//parent
int st;//status
pid_t ret=0;
do{
ret=waitpid(-1,&st,WNOHANG);//WNOHANG是1，代表非阻塞式等待
if(ret==0){
printf("child is running\n");
}
sleep(1);
}while(ret==0);
if(WIFEXITED(st)&&ret==id)
printf("wait child 5s success,child return code is [%d]\n",WEXITSTATUS(st));
else
printf("wait child failed,return.\n");
return 1;
}
return 0;
}
3.程序的程式替換
1）基本概念
用fork建立子程序後執行的是和父程序相同的程式,當然可以執行不同的分支(如果我們用fork建立一個子程序之後讓子程序做和父程序同樣的事，那麼這個子程序沒有任何意義)。
所以在fork之後,我們應該呼叫exec函式用來替換子程序的程式和資料，讓子程序執行和負程序不同的程式。當程序呼叫exec函式時，該程序的使用者空間得到程式碼和資料完全被新的程式替換。
呼叫exec並不建立新的程序，所以呼叫exec前後的程序的id並未改變。
2）替換函式
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 execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);
3）函式解釋
這些函式如果呼叫成功則載入新的程式從啟動端開始執行，不再返回。
如果出錯，返回-1.
4）命名理解
1.l：表示引數採用列表例如：execl("/bin/ls",“ls”,"-a",“NULL”)
2.v:引數用陣列
例如：
char* myargv[]={“ls”,"-a,“NULL”};
execv(“bin/ls”,myargv);
3.p：有p自動搜尋環境變數PATH
4.e:表示自己維護環境變數
5）使用
char * const argv[ ] ={ "ps","-ef",NULL);
char * const envp[ ]={"PATH=/bin:/usr/bin","TERM=console",NULL);
execl("/bin/ps","ps","-ef",NULL);
//帶P的，可以使用環境變數PATH，無需寫全路徑
execlp("ps","ps","-ef",NULL");
//帶e的自己組裝環境變數
execle("ps","ps","-ef",NULL,envp);
execv("/bin/ps",argv);
//帶P的，可以使用環境變數PATH，無需寫全路徑
execvp("ps"，argv);
//帶e的自己組裝環境變數
execvp("/bin/ps",argv,envp);
注：這6個函式只有execve是真正的系統呼叫,其他5個函式都是在execve上包裝的，它們6個函式有以下的關係。
4.程序退出
1）程序退出場景
1.程式碼執行完畢，結果正確
2.程式碼執行完畢，結果不正確
3.程式碼異常終止
2）程序常見退出方法
a.正常退出
1.man函式返回
2.呼叫exit，
3._exit
b.異常退出
1.ctrl+c ，訊號終止
3)_exit與exit函式
a._exit函式
#include<unistd.h>
void _exit(int status);
引數status定義了程序的終止狀態，父程序通過wait獲取該值（0正常返回，1異常返回），雖然status是int，但是僅有8低8位可以被父程序所用，所以_exit（-1）時，在終端執行$？發現返回值為255.
b.exit函式
#include<unistd.h>
void _exit(int status);
- exit與_exit函式的區別：exit重新整理快取區，_exit不重新整理。
- return退出
return退出是一種常見的程序退出方法，return m等同於exit（m），因為呼叫main的執行時函式會把main的返回值當做exit的引數。
5.setenv函式
作用：改變或增加環境變數
相關函式getenv，putenv，unsetenv，首先要說明的是，通過此函式並不能新增或修改shell程序的環境變數，或者說通過setenv函式設定的環境變數只在本程序，而且是本次執行中有效。如果在某一次執行程式時執行了setenv函式，程序終止再次執行該程式，上次的設定是無效的，上次設定的環境變數是不能讀到的。
引數value則為變數內容，引數overwrite用來決定是否要改變已存在的環境變數。註釋stdlib.h在Linux和windows中略不同，比如setenv函式是用在linux中的，在Windows中沒有setenv函式而用putenv來代替。
定義函式：int setenv（const char *name，const char *value，int overwrite）；
函式說明setenv函式用來改變環境變數或增加環境變數的內容，引數name為環境變數名稱字串，引數value則為變數的內容，引數overwrite用來決定是否要改變已存在的環境變數。如果沒有此環境變數，則無論overwrite為何值均新增此環境變數。若此環境變數存在，overwrite不為0時，原內容會被改為引數value所指的變數內容，當overwrite為0時，則引數會被忽略。返回值執行成功則返回0，有錯誤發生時，返會-1
說明：通過此函式並不能新增或修改 shell 程序的環境變數，或者說通過setenv函式設定的環境變數只在本程序，而且是本次執行中有效。如果在某一次執行程式時執行了setenv函式，程序終止後再次執行該程式，上次的設定是無效的，上次設定的環境變數是不能讀到的。
語法：setenv [變數名稱] [變數值]
6.export函式
1）作用
設定或顯示環境變數
2）說明
在shell中執行程式時，shell會提供一組環境變數。export可新增，修改或刪除環境變數，供後續執行的程式使用。export的效力僅及於該次登陸操作。
3）語法
export [-fnp] [變數名稱] = [變數設定值]
引數說明：
-f 代表[變數名稱]中為函式名稱。
-n 刪除指定的變數。變數實際上並未刪除，只是不會輸出到後續指令的執行環境中。
-p 列出所有的shell賦予程式的環境變數。