linux中进程的创建和终止

进程的创建

fork

fork函数用来创建一个子进程

子进程获得父进程的栈、数据段、堆和执行文本段的拷贝

内存节约

需要注意的是，执行文本段其实就是代码段，这个段是父子进程共享的，换句话说，虚拟的进程空间各自有一份，但是指向的物理空间共享一份

还有，对于父进程数据段、堆段和栈段中的各页，内核采用写时复制的技术，简单来说，就是刚开始，父子进程指向的都是一样的，并没有复制，当子进程要修改时，内核才会对这些要修改的页进行拷贝，这个时候，对这些页的修改就不会影响对方了

这两种技术，都是为了节省空间，单纯的复制还是有点浪费了

文件共享

执行fork，子进程会获得父进程的文件描述符的副本，但是指向的文件是一样的，所以父子进程间共享文件偏移量和打开文件状态标志，换句话说，对文件的修改会通知对方

如果不想共享，可以使用以下两种办法

• wait()，让父进程等待子进程结束后，在执行
• 令父子进程使用不同的文件描述符，各自立即关闭不在使用的描述符

竞争条件

fork创建进程后，我们是没办法知道哪一个进程会优先执行，即获得cpu的使用权，这取决于操作系统的进程调度

可以使用信号量、文件锁等方法，不过一般来说是默认父进程为fork之后优先调度的对象

使用方法

fork返回值为-1，表示失败，返回值为0，表示是子进程，剩下的是父进程

  switch (fork()) {
    case -1:
      /* 失败 */
    case 0: 
      /* 子进程 */
    default:
      /* 父进程 */
  }

还有需要注意的是，父子进程的代码段最开始是一样的，然后都是从fork函数的返回点开始执行，也就是说他们都会进入case的情况，然后根据各自的fork的返回值进入不同的case内执行，如果中途没有退出，那么他们都会顺利执行完整个程序，这点很重要

常用的做法还有子进程和exec函数结合，要注意的是当使用exec函数加载新程序时，会替换掉原有的进程映像，即将新程序加载到当前进程的内存空间中，并替换文本段、数据段等等，仅保留进程ID、文件描述符表等属性，然后当这个新程序结束后，也就是遇到exit或者main函数执行完毕，父进程仍可以用wait函数去捕捉返回状态，不过需要注意的是，这个新程序的返回点不是exec函数调用处，因为文本段都被替换了，已经和父进程没什么太多关系了

还有，如果对子进程有信号处理器函数，也会失效，因为文本段已经不一样了

vfork

vfork()因为如下两个特性而更具效率，这也是其与 fork()的区别所在。

无需为子进程复制虚拟内存页或页表。相反，子进程共享父进程的内存，直至其功执行了 exec()或是调用_exit()退出。

在子进程调用 exec()或_exit()之前，将暂停执行父进程。

vfork创建进程后，执行的顺序是确定的，只有等子进程结束，父进程才能执行

并且，vfork创建出的子进程是和父进程共享内存的，但仍存在一些情况，子进程的修改不会影响父进程，比如说对子进程的文件描述符进行操作(如果指向的是同一个打开文件句柄，那还是会有影响的)，不过情况很少就对了

需要注意的是，尽管子进程也会有自己的文件流标，但是文件流对应着底层的一个或多个文件描述符，对文件流的操作可能会影响

wait

系统调用 wai（t &status）的目的有二：其一，如果子进程尚未调用 exit()止，那么 wait()会挂起父进程直至子进程终止；其二，子进程的终止状态通过 wait()的 status 参数返回。

execve

系统调用 execve(pathname，argv，envp)加载一个新程序（路径名为pathname，参数列表为 argv，环境变量列表为 envp）到当前进程的内存。这将丢弃现存的程文本段，并为新程序重新创建栈、数据段以及堆。通常将这一动作称为执行（execing）一个新程序。

进程的终止

_exit

_exit()的 status 参数定义了进程的终止状态（termination status），父进可调用 wait()以获取该状态。虽然将其定义为 int 类型，但仅有低 8 位可为父进程所用。按照惯例，终止状态为 0 表示进程“功成身退”，而非 0 值则表示进程因异常而退出。

• EXIT_FAILURE 是1，表示非正常终止
• EXIT_SUCCESS 是0，表示正常终止

需要注意的是_exit(-1)传递给父进程的状态码是255， 因为status仅有低8位有效，即0-255， -1会被视为补码形式

exit

exit()会执行的动作如下

• 调用退出处理程序（通过 atexit()和 on_exit()注册的函数），其 执行顺序与册顺序相反 (就像是栈一样)
• 刷新 stdio 流缓冲区。
• 使用由 status 提供的值执行_exit()系统调用

程序的另一种终止方法是从 main()函数中返回（return），或者或明或暗地一直执行到main()函数的结尾处1。执行 return n 等同于执行对 exit(n)的调用，因为调用 main()的运行时函数会将 main()的返回值作为 exit()的参数。

退出处理程序

退出处理程序执行的顺序与注册顺序 相反

孤儿进程和僵尸进程

孤儿进程 (Orphan Process)

定义：
孤儿进程是指某个子进程在其父进程尚未终止的情况下，父进程先行结束。在这种情况下，孤儿进程会被操作系统的 init 进程（通常是进程ID为1的进程）收养。

特征：

• 收养机制：当一个父进程结束时，所有未结束的子进程会被 init 进程收养。init 进程会负责这些孤儿进程的管理。
• 继续运行：孤儿进程不会因为父进程的结束而终止，它们会继续执行，直到它们自己完成或被其他机制终止。
• 资源管理：init 进程会监控孤儿进程并在其结束后进行适当的清理和资源释放。

僵尸进程 (Zombie Process)

定义：
僵尸进程是指一个已经终止的子进程，它的父进程尚未调用 wait 或 waitpid 来收集其返回状态和资源信息。虽然子进程已经完成执行，但在进程表中仍然有其记录，因此它被称为“僵尸”。

特征：

• 存在状态：僵尸进程在操作系统中仍然保留着一些信息（如进程ID、退出状态等），以便父进程在调用 wait 时可以获取这些信息。
• 资源占用：僵尸进程不再占用 CPU 时间，持有的资源会进行释放，但它仍占用系统的进程表项，直到父进程处理它的状态。
• 无法杀死：僵尸进程无法通过 kill 命令终止，因为它们已经完成了执行。要清除僵尸进程，必须通过其父进程调用 wait 或 waitpid。

进程结束

一个进程的真正结束需要完成以下几个步骤：

1. 执行完毕：进程的代码执行完成。
2. 返回状态：进程通过系统调用（如 exit）返回状态码。
3. 资源释放：操作系统需要清理与该进程相关的所有资源，如内存、打开的文件等。这一过程包括：
   • 释放分配给进程的内存。
   • 关闭打开的文件描述符。
   • 更新进程表，移除该进程的记录。

小结

孤儿进程和僵尸进程的管理对于操作系统的稳定性和性能至关重要。在开发多进程应用时，需要注意如何处理子进程的生命周期，以避免出现僵尸进程。同时，设计父进程的退出策略时也要考虑到孤儿进程的管理。

总结

不论程序是正常终止或者异常终止，内核都会执行多个清理步骤，包括关闭所有打开的文件描述符、文件流、目录流等等