UNIX环境高级编程-进程控制

目录

相关函数列表

fork函数

一个fork和waitpid的例子

exec系列函数

解释器文件和System

进程会计

进程优先级和CPU时间

参考

---

 

 

相关函数列表

//下列函数返回一个进程的标识符  
#include   
pid_t getpid(void);  
pid_t getppid(void);  
uid_t getuid(void);  
uid_t geteuid(void);  
gid_t getgid(void);  
gid_t getegid(void);  
  
//创建新进程  
#include   
pid_t fork(void);  
pid_t vfork(void);  
  
  
//当一个进程正常或异常终止时，内核就向其父进程发送SIGCHLD信号，wait或waitpid的进程会  
//1.如果其所有子进程都还在运行则阻塞  
//2.如果一个子进程已停止，正等待父进程获取其终止状态，则取得该子进程的终止状态立即返回  
//3.如果它没有任何子进程，则立即出错返回  
//两个函数的区别  
//1.在一个子进程终止前，wait使其调用者阻塞，而waitpid有一选项，可使调用者不阻塞  
//2.waitpid并不等待在其调用之后的第一个终止子进程，它有若干个选项，可以控制它所等待的进程  
#include   
pid_t wait(int *statloc);  
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);  
  
//Single UNIX Specification包括了另一个取得进程终止状态的函数--waitid，此函数类似于waitpid  
#include   
int waitid(idtype_t idtype, id_t id, siginfo_t *infop, int options);  
  
//大多数UNIX系统实现提供了另外两个函数，这两个函数是从UNIX系统BSD分支延袭下来的  
#include   
#include   
#include   
#include   
pid_t wait3(int *statloc, int options, struct rusage *rusage);  
pid_t wait4(pid_t pid, int *statloc, int options, struct rusage *rusage)  
  
  
//fork函数创建新进程，用exec可以初始执行新的程序，exit函数和wait函数处理终止和等待终止  
//函数exec系列，一共有7个，这些函数的区别  
//1.前4个函数是用路径做参数，后两个用文件名，最后一个用文件描述符  
//2.与参数传递有关，(l表示list，v表示矢量vector)，函数execl，execlp和execle要求将新程序的  
//  每个命令参数都说明一个单独的参数。另外四个函数(execv，execvp，execve，fexecve)则应先  
//  构造一个指向各参数的指针数组，然后将数组作为参数  
//3.与新程序传递环境表相关，以e结尾的三个函数(execle，execve和fexecve)可以传递一个指向环境  
//  字符串指针数组。其他4个函数则使用调用进程中的environ变量为新程序复制现有的环境  
#include   
int execl(const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *)0 */);  
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);  
int execle(const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *)0, char*const envp[] */);  
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[];  
int execlp(const char *filename, const char *arg0, ... /* (char *)0 */);  
int execvp(const char *filename, char *const argv[]);  
int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const envp[]);  
  
  
//设置实际用户ID和有效用户ID  
#include   
int setuid(uid_t uid);  
int setgid(gid_t gid);  
  
//历史上BSD支持下列函数，其功能是交换实际用户ID和有效用户ID的值  
#include   
int setreuid(uid_t ruid, uid_t euid);  
int setregid(gid_t rgid, gid_t egid);  
  
//POIX.1包含的两个函数类似于setuid和setgid，但只更改有效用户ID和有效组ID  
#include   
int seteuid(uid_t uid);  
int setegid(gid_t gid);  
  
  
//下面函数用来在程序中执行一个命令字符串，因为system实际调用了fork，exec和waitpid，因此有  
//三种返回值  
//1.for失败或者waitpid返回除EINTR之外的出错，则system返回-1，并且设置errno以指示错误类型  
//2.如果exec失败(表示不能执行shell)，则其返回值如同shell执行了exit(127)一样  
//3.柔则所有3个函数(fork，exec和waitpd)都成功，那么system的返回值是shell的终止状态  
#include   
int system(const char *cmdstring);  
  
  
//进程会计，每个系统实现不同，但是基本结构如下  
#include   
typedef u_short comp_t;  
struct acct {  
    char ac_flag;      //flag  
    char ac_stat;      //termination status  
    uid_t ac_uid;      //real user ID  
    gid_t ac_gid;      //read group ID  
    dev_t ac_tty;      //controlling terminal  
    time_t ac_btime;   //starting calendar time  
    comp_t ac_utime;   //user CPU time  
    comp_t ac_stime;   //system CPU time  
    comp_t ac_etime;   //elapsed time  
    comp_t ac_mem;     //average memory usage  
    comp_t ac_io;      //bytes transferred(read and write)  
    comp_t ac_rw;      //blocks on BSD system  
    char ac_comm[8];   //command name  
};  
  
  
//一个用户可能有多个登陆名，系统会记录用户登陆时的名字，下面函数可以获取  
#include   
char *getlogin(void);  
  
//可以用nic函数获取和更改它的nic值，这个函数只能影响到自己的nice值，不能影响任何其他进程的  
//nice值  
#include   
int nice(int incr);  
  
//下面函数可以像nice一样获得进程的nice值，而且还可以获得一组相关进程的nice值  
//which值可以取以下三个值之一:  
//1.PRIO_PROCESS表示进程  
//2.PRIO_PGRP表示进程组  
//3.PRIO_USER表示用户ID  
#include   
int getpriority(int which, id_t who);  
  
//下面函数可用于为进程，进程组和属于特定用户ID的所有进程设置优先级  
#include   
int setpriority(int which, id_t who, int value);  
  
//任何一个进程都可以调用下面函数获得它自己的系统CPU时间，用户CPU时间，以及子进程的系统CPU  
//时间，子进程的用户CPU时间  
#include   
clock_t times(struct tms *buf);  
//tms结构体如下  
struct tms {  
    clock_t tms_utimes;      //user cpu time  
    clock_t tms_stime;       //system cpu time  
    clock_t tms_cutime;      //user cpu time,terminated children  
    clock_t tms_cstime;      //system cpu time,terminated children  
};  

 

 

fork函数

其创建新进程为子进程，fork函数被调用一次，但是返回两次。

子进程返回的是0

父进程返回的是子进程的进程ID

子进程和父进程继续执行fork之后的指令，子进程是父进程的副本，列如子进程获得父进程数据空间，堆和栈 

的副本(注意是子进程所拥有的副本)。父进程和子进程并不共享这些存储空间部分，父进程和子进程共享正文段。

返回子进程ID的原因是一个进程可以有多个子进程，但是没有函数可以获得所有子进程的ID，而父进程只有一个可以通过函数getppid()获得

fork之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的，取决于操作系统的调度，如果要求父进程和子进程之间相互同步，则要求某种形式的进程间通信。

父进程和子进程共享相同的文件描述符

 

fork之后父进程和子进程之间对打开文件的共享

 

 

在fork之后处理文件描述符有以下两种情况

1)父进程等待子进程完成，在这种情况下，父进程无需对其描述符做任何处理。当子进程终止后，它曾进行过读，写操作的任一共享描述符的文件偏移量已做了相应的更新

2)父进程和子进程各自执行不同的程序段，这种情况下，在fork之后，父进程和子进程各自关闭他们不需要使用的文件描述符，这样就不会干扰对方使用的文件描述符，这种方法是网络服务器进程经常使用的

 

fork有以下两种用法

1)一个父进程希望复制自己，使父进程和子进程同时执行不同的代码段，这在网络服务进程中是常见的--父进程等待客户度端的服务请求，当请求到来时父进程调用fork使子进程处理此请求，父进程继续等待下一个请求

2)一个进程要执行一个不同的程序，这对shell是常见的，在这种情况下，子进程从fork返回后立即调用exec

 

fork和vfork的区别

1)子进程并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec，这种优提高了效率

2)vfork保证子进程优先运行，在它调用exec或exit之后父进程才可能被调度运行，当子进程调用这两个函数中的任意一个时，父进程会恢复运行。

 

 

进程有5种正常终止及3种异常终止方式

1)在main函数内执行return语句

2)调用exit函数

3)调用_exit或_Exit函数

4)进程的最后一个线程在其启动例程中执行return语句

5)进程的最后一个线程调用pthread_exit函数

 

3种异常终止具体如下

1)调用abort，产生SIGABRT信号，这是下一种异常终止的一种特列

2)当进程接收到某些信号时，信号可由进程自身(如调用abort函数)，其他进程或内核产生

3)最后一个线程对"取消"(cancellation)请求作出响应

所有子进程退出后，将终止状态返回给父进程，如果父进程已经退出，则将父进程改为init进程

一个已经终止，但是其父进程尚未对其进行善后处理(获取终止子进程的有关信息，释放他仍占用的资源)的

进程被称为 僵死进程(zombie)

 

 

检查wait和waitpid锁返回的终止状态的宏

宏	说明
WIFEXITED(status)	若为正常终止子进程返回的状态，则为真。对于这种情况可执行WEXITSTATUS( status)，获取子进程传给exit或_exit参数的低8位
WIFSIGNALED(status)	若为异常终止进程返回的状态，则为真(接到一个不捕捉的信号)，对于这种情况， 可执行WTERMSIG(status)，获取使子进程终止的信号编号。另外，有些实现 (非Single UNIX Specification)定义宏WCOREDUMP(status)，若已产生终止进程 的core文件，则它返回真
WIFSTOPPED(status)	若为当前暂停子进程的返回的状态，则为真。对于这种情况，可执行 WSTOPSIG(status)，获取使子进程暂停的信号编号
WIFCONTINUED(status)	若在作业控制暂停后已继续的子进程返回了状态，则为真(POSIX.1的XSI扩展， 仅用于waitpid)

 

waitpid的options常量

常量	说明
WCONTINUED	若是先支持作业控制，那么由id指定的任一子进程在停止后已经继续，但其状态尚未 报告，则返回其状态(POSIX.1的XSI扩展)
WNOHANG	若由pid指定的子进程并不是立即可用的，则waitpid不阻塞，此时其返回值为0
WUNTRACED	若某是先支持作业控制，而由pid指定的任一子进程已处于停止状态，并且其状态自 停止以来还未报告过，则返回其状态。WIFSTOPPED宏确定返回值是否对应用与一个 停止的子进程

一个fork和waitpid的例子

#include 
#include 
#include 

int global = 100;
int main(int argc, char *argv[]) {
    int local = 9527;
    pid_t pid_1;
    pid_1 = fork();
    if(pid_1 > 0) { //parent
        waitpid(pid_1,NULL,0);
        printf("parent pid=%d,ppid=%d,global=%d,local=%d\n",getpid(),getppid(),global,local);
    }
    else if(pid_1 == 0) { //child
        global++;
        local++;
        printf("child pid=%d,ppid=%d,global=%d,local=%d\n",getpid(),getppid(),global,local);
    } 
    else {

    }
}

//结果为
child pid=11474,ppid=11473,global=101,local=9528
parent pid=11473,ppid=11454,global=100,local=9527


//strace分析程序，fork是用clone实现的，waitpid最终是调用wait4实现的
....
clone(child_stack=0, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7fb2b3e82a10) = 11453
wait4(11453, strace: Process 11453 attached
 
....

一个 vfork和waitpid的例子

#include 
#include 
#include 

int global = 100;
int main(int argc, char *argv[]) {
    int local = 9527;
    pid_t pid = vfork();
    if(pid > 0) {
        waitpid(pid,NULL,0);
        printf("parent global=%d, local=%d\n", global,local);
    } 
    else if(pid == 0) {
        global++;
        local++;
        //_exit(0);
        exit(0);
    }
    else {
        printf("error\n");
    }
}

//结果
parent global=101, local=9528


//通过strace分析程序
....
clone(child_stack=0, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f14cf9dea10) = 11544
wait4(11544, child pid=11544,ppid=11543,global=101,local=9528
NULL, 0, NULL)             = 11544
--- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_EXITED, si_pid=11544, si_uid=0, si_status=49, si_utime=0, si_stime=0} ---
getppid()                               = 11541
getpid()                                = 11543
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 3), ...}) = 0
....

 

 

 

exec系列函数

竞争条件

当多个进程都企图对共享数据进行某种处理，而最后的结果又取决于进程运行的顺序时，我们认为发生了

竞争条件(race condition)

 

7个exec函数之间的关系

函数	pathname	filename	fd	参数表	argv[]	environ	envp[]
execl	是			是		是
execlp		是		是		是
execle				是			是
execv	是				是	是
execvp		是			是	是
execve		是			是
fexecve			是		是		是
名字中的字母		p	f	l	v		e

  

一个exec的例子

#include   
#include   
#include   
  
int main (void) {  
    printf ("parent process...\n");  
  
    pid_t pid = vfork ();  
    if (pid == -1)  
        perror ("vfork"), exit (1);  
    if (pid == 0) {  
        printf ("child process...\n");  
        if (execle ("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, NULL) == -1)  
            perror ("execle"), _exit (1);  
    }  
    sleep (1);  
    printf ("parent over...\n");  
    return 0;  
}  

//strace分析程序，最终是通过 execve调用的
...
vfork(strace: Process 11625 attached
 
[pid 11625] write(1, "child process...\n", 17child process...
) = 17
[pid 11625] execve("/bin/ls", ["ls", "-l"], NULL 
[pid 11624] <... vfork resumed> )       = 11625
[pid 11624] rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0
[pid 11624] rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0
[pid 11624] rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0
[pid 11624] nanosleep({1, 0},  
[pid 11625] <... execve resumed> )      = 0
...

 

 

 

解释器文件和System

现在所有的UNIX系统都支持解释器文件(interpreter file)，它是文本文件

//形式是  
#! pathname [optional-argument]  
  
//比如  
#! /bin/sh  

pathname通常是绝对路径名，对它不进行什么特殊的处理(不适用PATH进行路径搜索)对这种文件的识别是由

内核作为exec系统调用处理的一部分来完成的。内核调用exec函数的进程世纪之星的并不是该解释器文件，而

是在该解释器文件第一行中 pathname所指定的文件。一定要将解释器文件(文本文件，它以 #! 开头)和解释器

(由该解释器我呢间第一行中的pathname指定)区分开来

比如一段程序调用一个解释器

C代码 

cat /home/sar/bin/testinterp  
#! /home/sar/bin/echoarg foo  
  
//这里echoarg是一段程序，echoarg又exec了testinterp并传入了一些参数  
//执行结果  
//第一个打印的是解释器的pathname，然后是参数  
//接着是解释器执行后调用的命令和命令参数  
./a.out    
argv[0]: /home/sar/bin/echoarg  
argv[1]: foo  
argv[2]: /home/sar/bin/testinterp  
argv[3]: myarg1  
argv[4]: MY ARG2  

system执行的例子，system最终是通过fork+execve两个系统调用实现的

#include 
#include 
#include 
#include 
 
int main() {
    pid_t status;
    status = system("./test.sh");
    if (-1 == status) {
        printf("system error!");
    }
    else {
        printf("exit status value = [0x%x]\n", status);
        if (WIFEXITED(status)) {
            if (0 == WEXITSTATUS(status)) {
                printf("run shell script successfully.\n");
            }
            else {
                printf("run shell script fail, script exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
            }
        }
        else {
            printf("exit status = [%d]\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

 

 

 

进程会计

大多数UNIX系统提供了一个选项以进程会计(process accounting)处理。启动该选项后，每当进程结束时内核

就会写一个会计记录。典型的会计记录包含总量较小的二进制数据，一般包括命令名，所使用的CPU时间

总量，用户ID和组ID，启动时间等

函数acct启动和禁用进程会计，唯一使用这个函数的命是accton。root执行一个带路径名参数的通常是

/var/account/acct。  在linux中该文件是/var/account/pacct

会计记录结果定义在中

 

进程会计，结构体，会计记录所需的各个数据 (CPU时间，传递的字符数等)都由内核保存在进程表中，并在一个新进程被创建时初始化(如在fork之后在子进程中)。进程终止时写一个会计记录

1.我们不能获取永不终止的进程会计记录，如init进程

2.会计文件记录的顺序对应于进程终止的顺序，而不是他们的启动顺序，为了确定启动顺序需要读全部的会计文件，并按照启动日历时间排序，但这样并不能保证完全精确

 

会计记录中的ac_flag值

ac_flag	说明
AFORK	进程是由fork产生的，但从未调用exec
ASU	进程使用超级用户特权
ACCORE	进程转存core
AXSIG	进程由一个信号杀死
AEXPND	扩展的会计条目
ANVER	新格式记录

 

 

 

进程优先级和CPU时间

一个调整进程优先级的例子

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    char *log_name = getlogin();
    printf("log name->%s\n", log_name);
    int pro_i = getpriority(PRIO_PROCESS,getpid());
    nice(9527);
    printf("priority  is %d\n",pro_i);
    pro_i = getpriority(PRIO_PROCESS,getpid());
    printf("priority  is %d\n",pro_i);
    return 0;
}

//执行结果
log name->root
priority  is 0
priority  is 19

一个获取cpu时间的例子

要获取运行时间，必须获取相对值。例如，调用times，保存返回值，在以后某个时间再次调用times，从新的返回值中减去
以前的返回值，此差值就是墙上时钟时间。

所有由此函数返回的clock_t值都用_SC_CLK_TCK（由sysconf函数返回的每秒时钟滴答数）变换成秒数。

#include 
#include 
#include 
#include 
 
static void pr_times(clock_t,struct tms*,struct tms*);
static void do_cmd(char *);
 
int main(int argc, char *argv[]){
        int i;
        for(i=1; itms_utime - tmsstart->tms_utime)/(double)clktck);
        printf("sys:%7.2f\n",(tmsend->tms_stime - tmsstart->tms_stime)/(double)clktck);
        printf("child user:%7.2f\n",(tmsend->tms_cutime - tmsstart->tms_cutime)/(double)clktck);
        printf("child sys:%7.2f\n",(tmsend->tms_cstime - tmsstart->tms_cstime)/(double)clktck);
}

//执行命令
./time "dd if=/dev/zero of=/dev/null bs=1M count=1000"
//执行结果
command:dd if=/dev/zero of=/dev/null bs=1M count=1000
1000+0 records in
1000+0 records out
1048576000 bytes (1.0 GB) copied, 0.0761412 s, 13.8 GB/s
real:   0.08
user:   0.00
sys:   0.00
child user:   0.00
child sys:   0.07

 

 

 

 

 

参考

实际用户ID，有效用户ID及设置用户ID

什么是实际用户ID、有效用户ID和设置用户ID

一个fork的谜题

exec执行普通文件和解释器文件的区别

wait,waitpid,wait3,wait4

Unix环境高级编程(七)fork函数总结

system函数的详细执行过程

《unix环境高级编程》--- 进程控制

Linux文件特殊权限——SetUID、SetGID、Sticky BIT