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进程标识
在日常的开发使用过程当中，以及以往的开发经验，都应该知道进程是存在一个ID的，也就是进程ID(process ID)，进程ID是唯一的，用以保证进程是唯一存在并且能被唯一获得。但是，在Unix系统中，进程ID是唯一的，但是在进程退出后，系统非常有可能将这个pid交付给新启动的进程，但是这样会导致新进程被误认为是之前存在的进程，所以现有的Unix系统有一个队列，用于pid的延时复用。
Linux系统是类Unix系统，它的实现也是很具有代表性的，大家都知道，Linux实际上应该叫GNU/Linux，而且Linux只是一个内核，当将这个内核和软件集合打包，就形成了一个Linux发行版，当然其中不包含各个发行商的修改内容，内核是启动后获得控制权，内核有一部分就形成了pid为0的进程，也叫作调度进程，没有什么卵用，然后pid为1的进程被启动，也就是其他进程的父进程，一般都是init程序，它负责启动整个Unix系统，并将系统根据配置文件引导到一个可使用的状态，init和前面的调度进程不一样，调度进程实际上是内核的一部分，而init是内核启动的一个普通进程，但是它拥有root权限，在苹果系统中，init进程被launchd进程替代，但是其作用也是差不多的。
除了上面的两个进程以外，还有很多和系统密切相关的内核进程，这些进程都以守护进程的形式常驻。系统提供了一系列函数用于获取当前进程的各项属性。
pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);
uid_t getuid(void);
uid_t geteuid(void);
gid_t getgid(void);
gid_t getegid(void);
上面6个函数，分别是获取当前进程pid、父进程pid、真实用户ID、有效用户ID、真实组ID和有效组ID。至于这些属性的解释，前面几章已经都提到过了，所以这里就不再解释。
进程派生
进程可以派生出子进程，这是一个很普遍的行为，Unix系统也为此提供了函数
pid_t fork(void);
这是一个很重要的函数，前面也使用过fork函数派生子进程，fork函数创建一个新进程，新进程是父进程的完整复制，当然，子进程的pid是重新生成的，子进程也拥有父进程pid作为ppid属性，子进程拥有父进程描述符的一份拷贝，但是实际上引用了相同的底层对象，所以实际上父进程子进程都是共享同样的文件对象。
就像第三章里面讲到的，进程只维护了文件描述符和文件指针的映射，内核为所有的打开的文件维护了一个文件表，每个文件表项包含了文件状态标志、文件偏移量等等，在学习文件共享这块的时候，笔者还提到一个重点就是内核维护的文件表是为所有打开的文件，同一个文件被不同进程打开是两个文件表项，但是父子进程实际上是拷贝了完整的进程空间，所以说子进程拥有父进程的文件描述符和文件指针的映射，所以说，父子进程的文件描述符指向了同一个文件表项目，所以lseek这样的修改偏移量的函数会影响到父子进程，这个特性也被shell用于建立标准输入输出错误给新启动的进程。
当然，子进程的资源限制和父进程是不同的，将被重置。
前面几章中提到，fork函数被调用一次，但是返回两次，子进程和父进程都会得到返回值，但是子进程得到的返回值是0，父进程的返回值则是子进程的pid。子进程复制了整个父进程的进程空间，例如堆和栈等，当然，这只是个副本，父子进程实际共享的只有正文段，这样可以节约空间，并且前面提到正文段实际上是只读的。
在实际的Unix系统实现中，常常使用差分存储的技术，也就是说，原来的堆栈不会被复制，两个进程以只读的形式共享同一个堆栈区域，当需要修改区域内容的时候，则在新的区域制作差分存储。
#include "apue.h"
int globalVar = 6;
char buf[] = "a write to stdout\n";
int main(int argc, char *argv[])
{
int var;
pid_t pid;
var = 80;
if (write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1) != sizeof(buf) - 1)
err_sys("write error");
printf("before fork\n");
if ((pid = fork()) < 0) {
err_sys("fork error");
} else if (pid == 0) {
++globalVar;
++var;
} else {
sleep(2);
}
printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long)getpid(), globalVar, var);
exit(0);
}
然后执行的结果如下：
~/Development/Unix » ./a.out
a write to stdout
before fork
pid = 8905, glob = 7, var = 81
pid = 8904, glob = 6, var = 80
~/Development/Unix » ./a.out > temp.out
~/Development/Unix » cat temp.out
a write to stdout
before fork
pid = 8916, glob = 7, var = 81
before fork
pid = 8915, glob = 6, var = 80
很明显的可以看到两个现象，就是子进程修改了变量不会导致父进程的变化，还有就是输出到文件和输出到终端发生了区别。
看上面的代码，可以发现使用write函数向标准输出写的时候，使用了sizeof(buf) - 1，这是因为strlen函数计算长度的时候是不计算终止的null字节的，但是sizeof则会包括null字节，这个其实很好理解，strlen函数实际上是一个函数调用，为了保证开发者使用的便捷，所以默认认为字符串长度实际上不应该包含null字节，但是sizeof则是一个单目运算符，它和其他的运算符一样都不是函数，sizeof操作符以字节形式给出了其操作数的存储大小。
操作数可以是一个表达式或括在括号内的类型名。操作数的存储大小由操作数的类型决定。换言之，这是一个编译时计算。
在第三章中讲到，write函数是不带缓冲的IO，而标准C库提供的则是带有缓冲的，在前面的章节中也提到了缓冲的不同情况，如果标准输出是连接到终端设备，那么它是行缓冲的，否则就是全缓冲的。
在标准输出是终端设备的情况下，我们只看到了一行输出，因为换行符冲洗了缓冲区，而当标准输出重定向到文件的时候，输出是全缓冲的，这样换行符不会导致系统的自动写入，当fork函数执行的时候，这行输出依旧被存储在缓冲区中，然后随着fork函数被共享给了子进程，随着后续继续的写入，两个进程都同时写入了before fork字符串。
实际上，文件共享一直是很重要的概念，我们知道，用户启动的进程一般都是shell启动的，也就是说是shell的子进程，所以shell将进程的输入输出可以进行重定向，当父进程的标准输入输出被重定向的时候，由于子进程继承了父进程的文件描述符，所以子进程也被重定向了，前面也说过，父子进程相同的文件描述符是指向同一个文件表项的，由于这个原因，两者任意一个进程修改了偏移量，下一个进程会跟在这个偏移量后，可以变相的实现一种交互。当然我们知道，由于多进程操作系统调度，进程之间的切换是很频繁的，如果没有父子进程的同步措施，两者的输出很有可能混合，所以对于派生子进程，有以下两种方式处理文件描述符
- 父进程使用函数等待子进程完成。这个非常简单，由于共享同一个文件表项，子进程的输出也会更新父进程的偏移量，所以等待子进程完成后直接就能读写。
- 父进程和子进程各自执行不同的程序段。在这种情况下，在fork以后，父子进程各自只使用不冲突的文件描述符。
前面也提到过很多关于父子进程的继承，例如各种用户组ID，当前工作目录，资源限制环境变量等，通常情况下，使用fork函数有两种原因：
- 父进程复制自身，各自执行不同的代码段，也就是网络服务中典型的多进程模型。
- 一个进程想要执行不同的程序。shell就是这样的，所以子进程可以在fork后立刻使用exec，让新程序运行。
进程派生变体
pid_t vfork(void);
vfork函数也是创建一个新进程，但是不完全拷贝父进程地址空间，这个函数spawn new process in a virtual memory efficient way，实际上这个函数主要用于spawn一个新进程而做的优化，不需要复制父进程的地址空间，从而加快了函数的执行，除此以外，vfork函数还会保证子进程先运行。
#include "apue.h"
int globalVar = 6;
int main(int argc, char *argv[])
{
int var;
pid_t pid;
var = 88;
printf("before vfork\n");
if ((pid = vfork()) < 0) {
err_sys("vfork error");
} else if (pid == 0) {
++globalVar;
++var;
_exit(0);
} else {
printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long)getpid(), globalVar, var);
}
exit(0);
}
然后运行这个程序
~/Development/Unix » ./a.out
before vfork
pid = 10616, glob = 7, var = 89
从运行结果可以很清楚的看到，子进程对变量的改变确实更改了父进程的变量值，其次，在上面的代码中，子进程使用了_exit函数关闭进程，在前面我们可以了解到，exit函数会在关闭进程之前进行一系列的操作，而子进程实际上是和父进程共享同一个内存空间，所以很可能会导致没有任何输出，所以在vfork函数只是用于spawn一个进程的前置操作，而不是正常的派生子进程，这个也在Unix系统手册中给予了警告。
退出进程
就像前面一章讲的，有5种正常退出和3种异常终止，下面是5中正常退出
- main函数返回，实际上等效于调用exit
- exit函数。exit函数实际上是ISO C定义的函数，在前面也有过详细的工作流程描述
- 调用_exit和_Exit函数。两者可以当做等价，只是一个是ISO C库函数，一个是Unix系统函数
- 进程的最后一个线程执行return语句
- 进程的最后一个函数使用pthread_exit函数
3种异常终止如下
- 调用abort函数产生SIGABRT信号
- 进程接收到信号
- 进程接收到取消请求
无论是如何退出进程，实际上在最后都需要内核进行执行清理工作，包括打开的描述符什么的，对于上面5中正常退出，都会有一个退出状态可以传递，对于3种异常终止，内核同样会产生一个终止状态，最终，都会变成退出状态，这样父进程就能得到子进程的退出状态。
在正常的使用过程中，子进程都是先于父进程退出，但是在某些特殊情况下，父进程会先于子进程结束，但是实际上在终止每个进程的时候，内核会检查所有现有的进程，如果是正在终止的进程的子进程，就将其父进程修改为init进程，也就是pid为1的进程。
在Unix系统运维中，会碰到僵尸进程，在开发的概念上来说，就是子进程已经终止，但是父进程尚未对其进行善后处理。
wait函数族
pid_t wait(int *stat_loc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);
实际上，当一个进程退出，无论是正常还是异常，内核都会向父进程发送SIGCHLD信号，在默认情况下，都是选择忽略这个信号，这里只需要知道使用wait函数族会发生什么。
wait函数会阻塞父进程知道子进程终止或者受到SIGCHLD信号，当wait函数返回时，stat_loc将会包含进程结束信息。
wait和waitpid函数就在于参数的区别，waitpid可以传入一个options选项用于行为的改变，还有就是可以指定进程ID。wait函数则是等待直到第一个子进程退出。
WNOHANG参数指示没有进程报告状态则立即返回，WUNTRACED选项则是子进程由于SIGTTIN、SIGTTOU、SIGTSTP或SIGSTOP信号进入暂停状态，还有一个是WCONTINUED，头文件中存在，但是说明手册上不存在，由POSIX1.x规定。
#include "apue.h"
#include <sys/wait.h>
void pr_exit(int status)
{
if (WIFEXITED(status))
printf("normal termination, exit status = %d\n", WEXITSTATUS(status));
else if (WIFSIGNALED(status))
printf("abnormal termination, signal number = %d%s\n", WTERMSIG(status),
#ifdef WCOREDUMP
WCOREDUMP(status) ? " (core file generated)" : "");
#else
"");
#endif
else if (WIFSTOPPED(status))
printf("child stopped, signal number = %d\n", WSTOPSIG(status));
}
上面是原著提供的打印终端终止状态的函数，可以按照以前的方法将其打包为静态库。需要注意的是，你需要指定-D_DARWIN_C_SOURCE来保证编译添加上WCOREDUMP支持。
#include "include/apue.h"
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
pid_t pid;
int status;
if ((pid = fork()) < 0)
err_sys("fork error");
else if (pid == 0)
exit(7);
if (wait(&status) != pid)
err_sys("wait error");
pr_exit(status);
if ((pid = fork()) < 0)
err_sys("fork error");
else if (pid == 0)
abort();
if (wait(&status) != pid)
err_sys("wait error");
pr_exit(status);
if ((pid = fork()) < 0)
err_sys("fork error");
else if (pid == 0)
status /= 0;
if (wait(&status) != pid)
err_sys("wait error");
pr_exit(status);
exit(0);
}
编译运行
> ./a.out
normal termination, exit status = 7
abnormal termination, signal number = 6
abnormal termination, signal number = 8
并没有像原著一样出现(core file generated)字样，可能是因为系统虽然支持这个宏，但是只对少数错误会进行转储。
waitpid函数的options选项的三个可选值实际上起到了两种作用，WNOHANG是非阻塞，而其他两个参数则是作业控制。