文章目錄
- 1.程序的建立
- 2. fork函數傳回值
-
- 2.1 fork為什麼有兩個傳回值
- 2.2 為什麼給子程序傳回0，給父程序傳回子程序的pid？
- 3 寫時拷貝
-
- 3.1代碼為什麼要共享
- 3.2資料為什麼要私有
- 3.3何謂寫實拷貝
- 3.4執行個體分析
- 4.fork正常用法和調用失敗原因
- 5.如何理fork和子程序建立
- 6.程序終止
-
- 6.1程序退出場景
- 6.2程序退出的常見方法
- 7.程序等待
-
- 7.1程序等待的必要性
- 7.2wait方法
- 7.3waitpid方法
-
- 7.3.1擷取子程序的status
- 8.程序替換
-
- 8.1替換原理
- 8.2替換函數
- 8.3函數解釋
- 8.4命名了解
- 8.5實戰操作
1.程序的建立
fork在已存在程序之中建立一個新的程序，這個被建立的程序稱之為子程序，原來已知的程序稱之為父程序；
程序是由可執行程式和它對應的資料和代碼以及一堆資料結構組成(PCB，虛拟位址空間，頁表等)；
而子程序的建立是以父程序為模闆的，是以調用fork之後就有兩個代碼相同的程序，并且兩個程序都會從fork下一行代碼開始執行
父程序調用fork，當控制權轉移到核心中的fork代碼後(fork是系統調用接口)，核心會做如下事情：
1.配置設定新的記憶體塊和核心資料結構給子程序
fork在核心之中，作業系統是管理軟硬體資源的，是以有權限管理程序，并且給程序配置設定記憶體和資料結構
2.将父程序部分資料結構内容拷貝至子程序
子程序的建立是以父程序為模闆的，将父程序的PCB、位址空間、頁表映射内容拷貝給子程序
3.添加子程序到系統程序清單當中
當子程序被添加到程序清單中之後就可以被排程了
4.fork傳回，開始排程器排程
當fork傳回，開始排程之後就完成了一個子程序的建立
2. fork函數傳回值
子程序傳回0，父程序傳回的是子程序的pid
2.1 fork為什麼有兩個傳回值
2.2 為什麼給子程序傳回0，給父程序傳回子程序的pid？
因為一個父程序或許會有多個子程序，那麼它如何準确的定位尋找它的這些子程序呢？靠的就是建立時候傳回來的子程序的pid，這就是父程序尋找子程序的辨別，父程序通過這個辨別就可以對子程序精準定位。而子程序永遠隻有一個父程序，是以不需要辨別
3 寫時拷貝
通常父子代碼共享，父子不再寫入時，資料也是共享的，當任意一方試圖寫入，便以寫入時拷貝的方式各自一副副本，這種情況就叫做寫時拷貝
3.1代碼為什麼要共享
程式=代碼(邏輯)+資料；
子程序是以父程序為模闆建立而來的，是以父子程序代碼都是一樣的，同時因為頁表的映射權限問題，代碼是不可以被修改的，如果各自父子程序各自私有一份，會造成空間的浪費
分流之後代碼也是共享的，隻是會不會去執行的問題。比如，你家裡有一百輛車，但是你最常開的隻有3輛，其餘的車也是你的，隻是沒有去碰罷了
3.2資料為什麼要私有
在頁表中，程序資料的權限大多是可讀可寫的，如果共享，一個程序的資料改變就會影響另外一個程序，這樣就破壞了程序之間的獨立性，是以資料是私有的
3.3何謂寫實拷貝
顧名思義，就是寫的時候進行拷貝
一個程序的資料是很多的，不是所有的資料子都要立即使用，且不是所有的資料都需要進行拷貝。但是如果馬上要獨立就需要将資料全部拷貝，把本來可以在後面拷貝的，甚至不需要拷貝的資料都拷貝了，就比較浪費空間
通常父子代碼共享，父子不再寫入時，資料也是共享的，當任意一方試圖寫入，便以寫入時拷貝的方式各自一副副本，這種情況就叫做寫時拷貝
3.4執行個體分析
當有資料20M，需要修改其中10M的時候，發生寫時拷貝，是拷貝10M還是拷貝20M？
答案是拷貝10M，因為另外的10M不一定有用，寫時拷貝隻拷貝當下有用的資料
從作業系統的角度出發，OS隻會盡可能的節省空間
4.fork正常用法和調用失敗原因
正常用法：
1.子程序指派父程序，通過if、else來實作父子程序執行不同的代碼段。比如父程序等待用戶端請求，生成子程序來進行處理。
2.一個程序要執行一個不同的程式。比如fork後，子程序調用exec函數
調用失敗原因：
1.系統中有太多的程序
程序是需要占據空間的，包括PCB,頁表，代碼，資料等等，都需要向系統申請空間，有可能空間不夠就被系統拒絕了
2.實際使用者的程序數超過了限制
有可能一個使用者申請的程序數超過了作業系統允許的數量，是以申請失敗
5.如何理fork和子程序建立
子程序建立本質上是系統多了一個程序，是以作業系統需要将新的程序管理起來，就需要給程序建立PCB、虛拟空間、頁表、映射關系等。
而子程序是以父程序為模闆的，這些資料大體上是類似的(比如pid等等就不會拷貝過來)，并且在一開始是共享代碼和資料的，隻有當任何一方發生資料寫入的時候才會發生寫時拷貝，将資料獨立出來；
6.程序終止
6.1程序退出場景
程序退出有如下三種場景
1.代碼運作完畢，結果正确
2.代碼運作完畢，結果不正确
3.代碼異常終止
6.2程序退出的常見方法
通過指令 echo $? 可以檢視最近一次程序的退出碼
正常終止：
1.從main函數傳回
在main中執行return 等同于執行exit(n),因為調用main的運作時，函數會将main的傳回值當做exit的參數
2.調用exit
a.執行使用者通過atexit或on_exit定義的清理函數
b.關閉所有打開的流，所有緩存資料均被寫入
c.調用_exit
3.調用_exit，直接清理程序，不會重新整理緩沖區
異常退出：
ctrl +c,信号終止
7.程序等待
是父程序通過wait等系統調用，用來等待子程序狀态的一種現象，且是必須的
7.1程序等待的必要性
子程序被建立出來，誰先運作是由排程器來決定的
程序建立本質是系統多了一個程序，是多了PCB、位址空間、頁表、代碼資料等
一個程序終止分為僵屍和徹底釋放兩種情況
徹底釋放：釋放PCB、釋放位址空間、釋放頁表、代碼和資料被情況
僵屍狀态：程序的代碼和資料被釋放了、甚至部分頁表被釋放了、但是這個程序的PCB要被保留下來、PCB中會記錄程序的退出碼，這個退出碼和資料資訊将來要被父程序通過wait/waitpid進行讀取
一般而言是讓子程序先退出的:
1.如果父程序先退出，子程序變成了孤兒程序，子程序被系統接管，資源也被系統回收，但是回收的時間和系統有關系，不一定是立即回收的
2.如果父程序先退出，子程序變成了僵屍程序，會導緻記憶體洩漏
2.因為父程序很容易對子程序進行管理(進行垃圾回收)
3.建立出來的子程序是用來處理業務的，什麼時候執行完是不确定的，需要父程序幫我們拿到子程序處理的結果，讀取子程序狀态
一般子程序是需要被父程序等待的，等待的方式有wait/waitpid
等待的目的是為了進行垃圾回收和獲知子程序運作結果
7.2wait方法
傳回值：
成功傳回被等待程序的pid，失敗傳回-1
參數：
輸出型參數，擷取子程序退出狀态，不關心則可以設定為NULL
7.3waitpid方法
當一個子程序退出變成僵屍狀态時，我們的父程序通過waitpid釋放它的僵屍狀态，并且讀取子程序的退出碼和退出時所收到的信号資訊
是以需要傳入一個st參數，st讀取的資料是在程序的PCB中儲存的。當程序退出的時候，我們擷取到st中的資訊就可以對程序的退出狀态進行分析(正常退出結果正确、正常退出結果不正确、被信号殺死)，我們可以通過這些資訊提示使用者或加入一些資訊進行判斷
傳回值：
當正常傳回的時候waitpid傳回收集到的子程序的程序ID
如果設定了選項WNOHANG,而調用中waitpid發現自己沒有已退出的子程序可收集則傳回0
如果的調用出錯，則傳回-1，這時errno會被設定成相應的值以訓示錯誤所在
參數：
pid：
pid=-1，等待任意一個子程序，與wait等效
pid>0,等待其程序id與pid相等的子程序
staus：
WIFEXITED(status):若為正常終止子程序傳回的狀态，則為真。(檢視程序是否正常退出)：!(status & 0x7f)
WEXITSTATUS(status):若WIFEXITED非零，提取子程序退出碼。(檢視程序的退出碼)：(status>>8) & 0xff
options:
1.預設是0，表示阻塞方式，隻要子程序不退出，父程序就一直在等，容易卡住，于是下面就有了對立的WNOHANG(非阻塞等待)
2.WNOHANG：若pid指定的子程序沒有結束，則waitpid()函數傳回0，不予等待。若正常結束則傳回該子程序的id
7.3.1擷取子程序的status
wait和waitpid，都有一個status參數，該參數是一個輸出型參數，由作業系統填充
如果傳遞NULL，表示不關心子程序的退出狀态資訊
否則，作業系統會根據該參數，将子程序的退出資訊回報給父程序
status不能簡單的當作整形來看待，可以當作位圖來看待
8.程序替換
8.1替換原理
fork建立子程序的目的：
讓子程序和執行父程序一部分代碼：代碼共享
讓子程序執行和父程序完全不同的事：調用exce函數，代碼也要發生寫時拷貝
當程序調用另外一種exce函數時，該程序的使用者空間和代碼和資料将完全被新程式替換，從新程式啟動的例程開始執行
調用exce函數并不是建立新程序，是以調用exce前後該程序的id并沒有改變
新的代碼和資料的替換過程是由作業系統來進行的，我們隻需要調用作業系統提供的系統調接口函數即可，下面介紹六種exec開頭的替換函數
8.2替換函數
有六種exec開頭的函數，統稱為exce函數
int execl(const char *path,const char *arg,…);
int execlp(const char *file,const chat *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 execve(const char *pash,char *const argv[],cahr *const envp[]);
作業系統隻提供了execve一個調用接口，其餘的五個函數都是堆execve的封裝
8.3函數解釋
這些函數如果調用成功則加載新的程式從啟動代碼開始執行，不再傳回
調用出錯則傳回-1
exce函數隻有出錯傳回值，成功沒有傳回值，因為成功源程式所有資料和代碼都會被覆寫
8.4命名了解
l(list)：表示參數采用清單
v(cevtor)：參數采用數組
p(path)：有p自動搜尋環境變量PATH
帶p的傳入系統中的程式或者指令的時候，會自動去環境變量PATH中尋找對應的指令，不需要傳入檔案路徑
不帶p的，則需要自己傳入檔案路徑
e(env)：表示自己維護環境變量
8.5實戰操作