进程控制（粗略概括）
1. 有关进程
1.1 什么是进程
我们在前面的课程就讲过这个问题，我们这里再来回顾下。
我们说，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。
对比一下进程和程序：
存储位置 存在状态 运行过程
程序 硬盘 静态的 无运行的过程
进程 存在内存中，它是从磁盘上的程序考过来的副本 动态的 有运行的过程，所以进程有生有死
1.2 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。
什么是并发运行？
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。
图：
当然我们这里说的单核cpu的情况，如果cpu是多核的话，不同的cpu核可以同时独立的执行不同的进程，这种叫并行运行。
所以当cpu是多核时，并发与并行是同时存在的。
1.3 进程ID（PID）
1.3.1 什么是PID
基于OS运行的进程有很多，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，
P就是process——进程的意思。
这记好比公安局给每个人分配了一个唯一的身份证号（ID）是一样的。
ps查看：
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。
因为ID的唯一性，当我们想创建一个名字唯一的文件时，往往可以在文件名中加入PID，这样就能保证文件名的唯一性。
1.3.2 那么PID放在了那里呢？
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(Linux)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，比如第一章介绍的文件描述符表，又比如我们这里讲的PID。
所以PID放在了该进程的task_struct结构体变量中，有关task_struct在前面的课程就介绍过，相信大家不会陌生。
1.3.3 如何获取PID呢？
后面回答这个问题。
1.4 三个特殊的进程
OS运行起来后有三个特殊的进程我们需要了解下，他们的PID分别是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，尽管我们总是忽略它们的存在，但是它们
确非常的重要。
1.4.1 进程 PID == 0 的进程
（1）作用
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，该进程会让CPU轮换的执行所有的进程。
怎么实现的？
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。
（2）这个进程怎么来的
这个进程就是有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。
1.4.2 进程ID == 1的进程
（1）作用
1）作用1：初始化
这个进程被称为init进程，这个进程的作用是，他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。
2）作用2：托管孤儿进程
什么事孤儿进程，怎么托管的，有关这个问题后面会详细介绍。
3）作用3：原始父进程
原始进程————>进程————————>进程————————>终端进程——————>a.out进程
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| | |
V V |
进程 进程 进程
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| | |
... ... ...
（2）这个进程怎么运行起来的
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，程序代码放在了
/sbin/init下，当OS启动起来后，OS回去执行init程序，将它的代码加载到内存，这个进程就运行起来了。
1.4.3 进程ID == 2的进程
（1）作用
页精灵进程，专门负责虚拟内存的请页操作。
疑问：什么精灵进程？
精灵进程也叫守护进程，我们后面讲到“守护进程”这一章时，你自然就知道了。
怎么理解换页操作，我们说当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。
想了解详细换页操作的同学，请看《计算机体系结构》软件篇4——操作系统部分的课程。
（2）这个进程怎么运行起来的
与调度进程一样，也是一个系统进程，代码属于OS的一部分。
1.5 获取与进程相关的各种ID的函数
1.5.1 函数原型和所需头文件
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);
uid_t getuid(void);
gid_t getgid(void);
（1）功能
1）getpid函数：获取调用该函数进程的进程ID。
2）getppid函数：获取调用该函数进程的父进程ID，第一个P是parent，第二个process。
3）getuid函数：获取调用该函数进程的用户ID。
在什么用户下运行的该进程，得到的就是该用户的用户ID，查看/etc/passed文件，可以找到该UID对应的用户名。
4）getgid函数：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。
（2）返回值：返回各种ID值，不会调用失败，永远都是成功的。
1.5.2 代码演示
2. 程序的运行过程
2.1 程序如何运行起来的
（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。
2.2 fork
2.2.1 函数原型
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
为了便于大家更容易的理解，我们在介绍fork时会适当的隐去一些信息，所以虽然不能保证100%是正确的，但是我们能够向
大家解释清楚fork函数的作用。
（1）函数功能
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。
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
其实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。
（2）函数参数：无参数。
（3）函数返回值
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。
（4） 代码演示
如何让父子进程做不同的事情？
2.2.2 说说复制的原理
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，
图：
如果想了解什么是虚拟内存，请看《计算机体系结构》软件篇4——操作系统。
2.2.3 父子进程各自会执行哪些代码
复制出子进程后，父子进程各自都有一份相同的代码，而且子进程也会被运行起来，那么我们来看一下，父子进程各自会执行
哪些代码。
图：
代码验证：
（1）父进程
1）执行fork前的代码
2）执行fork函数
父进程执行fork函数时，调用成功会返回值为子进程的PID，进入if(ret > 0){}中，执行里面的代码。
if(ret > 0){}中的代码只有父进程才会执行。
3）执行fork函数后的代码
（2）子进程
1）fork前的代码
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。
2）子进程调用fork时，返回值为0，注意0不是PID。
进入if(ret == 0){}，执行里面的代码。
if(ret == 0){}中的代码只有子进程执行。
3）执行fork后的代码
（3）验证子进程复制了父进程的代码和数据
演示：
2.3 父子进程共享操作文件
（1）情况1：独立打开文件
多个进程独立打开同一文件实现共享操作，我们在第1章讲过，不过那时涉及到的多个进程是不相干进程，而现在我们这里要讲
的例子，里面所涉及到的两个进程是父子关系，不过情况是一样的。
1）代码演示
2）文件表结构
图；
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。
因为拥有不同的文件表，所以他们拥有各自独立的文件读写位置，会出现相互覆盖情况，如果不想相互覆盖，
需要加O_APPEND标志。
（2）情况2：fork之前打开文件
1）代码演示
2）文件表结构
图：
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”。
由于共享的是相同的文件表，所以拥有共同的文件读写位置，不会出现覆盖的情况。
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，我们前面介绍过，最原始的进
程是init进程。
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。
init 012 012 012 012 012 012
原始进程————>进程————————>进程———>...———>终端进程——————>a.out进程——————>a.out进程
| | |
| | |
V V V
进程012 进程012 进程012
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| | |
... ... ...
2.4 子进程会继承父进程的哪些属性
2.4.1 子进程继承如下性质
（1）用户ID，用户组ID
（2）进程组ID（下一篇讲）
（3）会话期ID（下一篇讲）
（4）控制终端（下一篇讲）
（5）当前工作目录
（6）根目录
（7）文件创建方式屏蔽字
（8）环境变量
（9）打开的文件描述符
等等
2.4.2 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。
等等
3. exec加载器
exec加载器就是我们之前介绍的加载函数。
3.1 exec的作用
父进程fork复制出子进程的内存空间后，子进程内存空间的代码和数据和父进程是相同的，这样没有太大的意义，我们需要在子进
程空间里面运行全新的代码，这样才有意义。
怎么运行新代码？
我们可以在if(ret==0){}里面直接写新代码，但是这样子很麻烦，如果新代码有上万行甚至更多的话，这种做法显然是不行的，因此
就有了exec加载器。
有了exec后，我们可以单独的另写一个程序，将其编译好后，使用exec来加载即可。
3.2 exec函数族
exec的函数有很多个，它们分别是execve、execl、execv、execle、execlp、execvp，都是加载函数。
其中execve是系统函数，其它的execl、execv、execle、execlp、execvp都是基于execve封装得到的库函数，因此我们这里重点介绍
execve函数，这个函数懂了，其它的函数原理是一样的。
3.2.1 execve函数原型
#include <unistd.h>
int execve(const char *filename, char **const argv, char **const envp);
（1）功能：向子进程空间加载新程序代码（编译后的机器指令）。
（2）参数：
1）filename：新程序（可执行文件）所在的路径名
可以是任何编译型语言所写的程序，比如可以是c、c++、汇编等，这些语言所写的程序被编译为机器指令后，
都可以被execve这函数加载执行。
正是由于这一点特性，我们才能够在C语言所实现的OS上，运行任何一种编译型语言所编写的程序。
疑问：java可以吗？
java属于解释性语言，它所写的程序被编译后只是字节码，并不是能被CPU直接执行的机器指令，所以不能被execve直接加
载执行，而是被虚拟机解释执行。
execve需要先加载运行java虚拟机程序，然后再由虚拟机程序去将字节码解释为机器指令，再有cpu去执行，在后面还会详细
讨论这个问题。
2）argv：传给main函数的参数，比如我可以将命令行参数传过去
3）envp：环境变量表
（3）返回值：函数调用成功不返回，失败则返回-1，且errno被设置。
（4）代码演示
命令行参数/环境表 命令行参数/环境表 命令行参数/环境表
终端窗口进程——————————————————>a.out（父进程）——————————————————————>a.out（子进程）——————————————>新程序
fork exec
exec的作用：将新程序代码加载（拷贝）到子进程的内存空间，替换掉原有的与父进程一模一样的代码和数据，让子进程空间运行全
新的程序。
3.3 在命令行执行./a.out，程序是如何运行起来的
（1）窗口进程先fork出子进程空间
（2）调用exec函数加载./a.out程序，并把命令行参数和环境变量表传递给新程序的main函数的形参
3.4 双击快捷图标，程序是怎么运行起来的
（1）图形界面进程fork出子进程空间
（2）调用exec函数，加载快捷图标所指向程序的代码
以图形界面方式运行时，就没有命令行参数了，但是会传递环境变量表。
4. system函数
如果我们需要创建一个进子进程，让子进程运行另一个程序的话，可以自己fork、execve来实现，但是这样的操作很麻烦，
所以就有了system这个库函数，这函数封装了fork和execve函数，调用时会自动的创建子进程空间，并把新程序的代码加载到
子进程空间中，然后运行起来。
虽然有system这函数，但是我们还是单独的介绍了fork和execve函数，因为希望通过这两个函数的介绍，让大家理解当有OS支持时，
程序时如何运行起来的。
4.1 system函数原型
#include <stdlib.h>
int system(const char *command);
（1）功能：创建子进程，并加载新程序到子进程空间，运行起来。
（2）参数：新程序的路径名
（3）代码演示
system（“ls”）;
system（“ls -al”）;
5. 回收进程资源
进程运行终止后，不管进程是正常终止还是异常终止的，必须回收进程所占用的资源。
5.1 为什么要回收进程的资源？
（1）程序代码在内存中动态运行起来后，才有了进程，进程既然结束了，就需要将代码占用的内存空间让出来（释放）。
（2）OS为了管理进程，为每个进程在内存中开辟了一个task_stuct结构体变量，进程结束了，那么这个结构体所占用的内存空间也
需要被释放。
（3）等其它资源
5.2 由谁来回收进程资源
由父进程来回收，父进程运行结束时，会负责释放子进程资源。
5.3 僵尸进程和孤儿进程
5.3.1 僵尸进程
子进程终止了，但是父进程还活着，父进程在没有回收子进程资源之前，子进程就是僵尸进程。
为什么子进程会变成僵尸进程？
子进程已经终止不再运行，但是父进程还在运行，它没有释放子进程占用的资源，所以就变成了占着资源不拉屎僵尸进程。
就好比人死后不腐烂，身体占用的资源得不到回收是一样的，像这种情况就是所谓的僵尸。
5.3.2 孤儿进程
没爹没妈的孩子就是孤儿，子进程活着，但是父进程终止了，子进程就是孤儿进程。
为了能够回收孤进程终止后的资源，孤儿进程会被托管给我们前面介绍的pid==1的init进程，每当被托管的子进程终止时，init会立即
主动回收孤儿进程资源，回收资源的速度很快，所以孤儿进程没有变成僵尸进程的机会。
5.3.3 演示
（1）僵尸进程
ps查看到的进程状态
R 正在运行
S 处于休眠状态
Z 僵尸进程，进程运行完了，等待被回收资源。
（2）孤儿进程
佳嵌工作室
