Linux并发程序设计（1）——进程

        在实际设计程序中，可能这个程序不是单独的完成一个单一的功能，而是同时完成多个任务。例如QQ登录以后可以同时聊天、下载文件、听音乐等。要完成这么一个多任务的程序那么我们就需要会多进程、多线程相关知识来完成一个多任务程序的设计。
往期文章推荐:
       Shell函数的作用以及变量的作用域
       史上最全的Linux命令汇总（超全面！超详细！）收藏这一篇就够了！

进程的概念

       在了解进程之前我们需要了解什么是程序，程序就是存放在磁盘上的指令和数据的有序集合（文件），程序是静态的（程序编译好以后指令、数据等就不能再改变)。
       进程与程序是密切相关的，进程是操作系统为了执行一个程序分配资源的总称、是程序的一次执行过程，进程相当于程序来说是动态的,包括创建、调度、执行和消亡。当系统执行一个程序时，至少创建了一个进程。

进程内容

       进程主要包括代码（正文）、用户程序、系统数据。系统数据有助于操作系统管理进程。系统数据段主要包括进程控制块（PCB Process Control Block）、CPU寄存器值、堆栈。

系统数据段	作用
进程控制块（pcb）	① 进程标识PID ② 进程用户 ③ 进程状态、优先级 ④文件描述符表
寄存器	程序计数器PC（program counter）该寄存器保存了程序下一个指令的地址
堆栈	C语言局部变量、函数的参数、返回值都是在栈上创建的

进程类型

• 交互进程：在Shell下启动。以在前台运行，也可以在后台运行。（后台运行给指令后加一个‘&’）
• 批处理进程：与在终端无关，被提交到一个作业队列中以便执行
• 守护进程：和终端没有关系，一直在后台运行

进程的状态

• 运行态：进程正在运行，或者准备运行
• 等待态：进程在等待一个事件的发生某种系统资源（分为可中断和不可中断）
• 停止态：进程被终止，收到信号后可继续运行
• 死亡态：已终止的程序，但是pcb没有被释放
• 进程状态图：
  

Linux下进程的相关命令

查看进程相关信息

终端命令	显示结果
ps -ef	进程所有者、进程号、父进程号、进程执行时间、程序对应名称
ps aux	相对于ps -ef还能够显示进程的当前状态（运行态、停止态、前台进程等）
top	可以查看进程动态信息（每隔3秒钟统计系统信息）能显示系统最消耗CPU资源的进程
/proc目录查看	进入该目录下可以查看进程的详细信息

注意：使用ps命令都可以配合管道命令进行筛选相关进程信息。

修改进程优先级

命令	作用
nice	按用户指定优先级运行进程
renice	改变正在运行进程的优先级

示例：

nice -n 2 ./test#将test进程的nice值设置为2

renice -n 2 29070#将进程号为29070的nice值设置为2

注意：进程的nice值默认是0,范围为- 20~20，nice值越小则优先级越高。普通用户设置的nice值只能为0 ~ 20，且只能增加nice值

前后台进程切换

命令	作用
jobs	查看后台进程（作业）
bg	将挂起的进程在后台运行
fg	把后台运行的进程放到前台运行

进程相关函数

创建进程——fork

#include 
pid_t fork(void);//pid_t 等价与有符号整型

• 创建新的线程，失败返回-1
• 创建成功时，父进程返回子进程的进程号，子进程返回0
• 通过fork()的返回值来区分父子进程

示例：

#include
#include

int main()
{
    pid_t pid;
    if((pid=fork())<0){
	perror("fork");//创建失败，打印错误信息
	return -1;
    }
    else if(pid==0){
	printf("child prosess:my pid is %d\n",getpid());//创建子进程，返回子进程的pid号
    }
    else{
	printf("parent process:my pid is %d\n",getpid());//打印父进程的进程号
    }
}

父子进程

• 子进程继承了父进程的内容（几乎赋值了父进程的全部内容，但是pid、ppid不同）
• 父子进程有独立的地址空间，互不影响
• 若父进程先结束
  • 子进程成为孤儿进程,被init进程收养
  • 子进程变成后台进程
• 若子进程先结束
  • 父进程如果没有及时回收，子进程变成僵尸进程

注意：
       1. 子进程是从fork函数的下一条语句开始执行，并没有执行fork
       2. 内核先调用父进程就先执行父进程，先调用子进程就先执行子进程
       3. 父进程可以多次调用fork，子进程也可以调用fork创建孙进程（注意进程的回收）

结束进程——exit/_exit/return

#include 
#include 
void exit(int status);//用stdlib.h头文件
void _exit(int status);//用unistd.h头文件

• 结束当前的进程并将status返回
• exit结束后会刷新流的缓冲区
  示例：

#include 
#include 
int main(void)
{
	printf("this process will exit");//没有换行符只能写到标准输出流的缓冲区，不会在终端显示
	exit(0);//结束进程，刷新缓冲区的流,因此上条语句会显示在终端上
	printf("never be discovered");//不会被打印	
}

exec函数族

作用

• 进程调用exec函数族执行某个程序
• 进程当前内容被指定程序替换
• 实现父子进程执行不同程序
  • 父进程创建子进程
  • 父进程调用exec函数族
  • 父进程不受影响

#include 
int execl(const char *path,const *arg,...);//arg...传递给执行的程序的参数列表
int execlp(const char *file,const char *arg,...);//arg...传递给执行的程序的参数列表

int execv(const char *path,char *const argv[]);//arg...封装成指针数组的形式
int execvp(const char*file,char *const argv[]);//arg...封装成指针数组的形式 

• 成功时返回指定程序；失败时返回EOF
• path执行的程序名称，包含路径
• file执行程序的名称，在PATH中查找

示例：

       执行ls命令，显示/etc目录下所有文件的详细信息

方式1：execl
if(execl("/bin/ls","ls","-a","-l","/etc",NULL)<0{//一定要以NULL结尾，并判断函数是否执行成功
	perror("execl");
}	

方式2：execlp
if(execl("ls","ls","-a","-l","/etc",NULL)<0{//会自动在PATH路劲搜索
	perror("execl");
}	
方式3：execv
char *arg[]={"ls","-a","-l","/etc",NULL};//将要传递的参数放在数组中
if(execv("/bin/ls",arg)<0){
	perror("execv");
}
方式3:execvp
if(execvp("ls",arg)<0){
	perror("execvp");//会自动在PATH路径中搜索
}

system函数

#include 
int system(const char *command)

• 成功时返回command的返回值；失败时返回EOF（自动创建一个子进程，子进程执行命令）
• 当前进程（父进程）等待command执行结束后才继续执行。

进程回收——wait/waitpid

• 子进程结束时由父进程回收
• 孤儿进程由init进程回收
• 若孤儿进程没有回收会出现僵尸进程

回收函数——wait:

#include 
pid_t wait(int *status);

• 成功时返回回收子进程的进程号；失败时返回EOF
• 若子进程没有结束，父进程一直阻塞
• 若有多个子进程，那个进程先结束就先回收
• status指定保存子进程返回值和结束方式的地址
• status为NULL表示直接释放子进程PCB，不接收返回值

示例：

#include
#include

int main()
{
    int status;//接收返回值以及返回方式
    pid_t pid;//接收fork的返回值
    if((pid=fork())<0){
        perror("fork");
        exit(-1);
    }
    else if(pid==0){
        sleep(1);//如果是子进程睡眠一秒
        exit(2);//退出子进程
    }
    else{
        wait(&status);//等待子进程结束
        printf("%x\n",status);//打印输出结果
    }
}

• 子进程通过exit/_exit/return返回某个值（0~255）
• 父进程通过调用wait（&status）回收

宏标识符	作用
WIFEXITED(status)	判断子进程是否正常结束
WEXITSTATUS（status）	获得子进程的返回值
WIFSIGNALED（status）	判断子进程是否被信号结束
WTERMSIG（status）	获取结束子进程的信号类型

回收函数——wait_pid:

#include
pid_t waitpid(pid_t pid,int status,int option);

• 成功时返回回收子进程的pid或0；失败（如：没有子线程）返回EOF
• pid可用于指定回收那个子进程或任意子进程
• status指定用于保存子进程的返回值和结束方式的地址
• option指定回收方式，0（阻塞的方式，等待子进程结束）或WNOHANG（非阻塞）

示例：

waitpid(pid,&status,0);//指定进程的进程号，阻塞方式
waitpid(pid,&status,WNOHABG);//子进程结束返回子进程的进程号，没有结束返回0
waitpid(-1,&status,0);//-1表示回收任意一个子进程，等价于wait
waitpid(-1,&status,WNOHANG);//非阻塞的方式回收任意进程

守护进程

       守护进程（Daemon）是Linux三种类型之一，通常在系统启动时运行，系统结束时关闭，Linux系统中大量使用，很多服务程序就是以守护进程形式运行。
       Linux以会话（session）、进程组的方式管理进程，每个进程就属于一个进程组。而会话是一个或者多个进程组的集合。通常用户打开一个终端时，系统会创建一个临时会话，所有通过该终端运行的进程都属于这个会话。终端关闭时，所有进程会被结束。那么我们要使得守护进程与终端无关，当终端关闭的时候守护进程依旧可以运行。

守护进程特点

• 始终在后台运行
• 独立于任何终端
• 周期性的执行某种任务或等待处理特定事件

守护进程的创建

1. 创建子进程，父进程退出

if(fork()>0){
	exit(0);
}

• 子进程变成孤儿进程，被init进程收养
• 子进程在后台运行，但是依旧和终端相关联

2. 子进程创建新会话

if(setsid()<0)//通过setsid创建一个新的会话
{
	exit(-1);
}

• 子进程成为新的会话组长
• 子进程脱离原先的终端

3. 更改当前工作目录

chdir("/");
chdir("/tmp");//所有用户可读可写可执行

• 守护进程一直在后台运行，其工作目录不能被卸载
• 重新设定当前工作目录cwd

4. 重设文件权限掩码

if(umask(0)<0){
	exit(-1);
}

• 文件权限掩码设置为0
• 只影响当前进程

5. 关闭打开的文件描述符

int i;
for(i=0;i<getdtablesize();i++)//文件描述符最小就是0。getdtablesize()返回当前进程打开最大文件数
{
	close(i);
}

• 关闭所有从父进程继承的打开文件
• 已脱离终端，stdin/stdout/stderr无法再使用

示例：
       创建守护进程，没隔1秒将系统时间写入文件time.log

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	pid_t pid;
	FILE *fp;
	time_t t;
	int i;

	if((pid = fork())< 0)
	{
		perror("fork");
		exit(-1);
	}
	if(pid > 0)
	{
		exit(0);
	}
	else if(pid == 0)
	{
		if(setsid()< 0)//创建一个新的会话
		{
			perror("setsod");
			exit(-1);
		}
		else
		{
			chdir("/tmp");//tmp目录可读可写可执行
			if(umask(0) < 0)//重设文件权限掩码
			{
				exit(-1);
			}
			else
			{
				for(i=0;i<getdtablesize();i++)
				{
					close(i);
				}
			}
			while(1)
			{
				fp = fopen("time.log","a+");
				time(&t);
				fprintf(fp,"%s",ctime(&t));
				fflush(fp);
				sleep(1);
			}
		}
	}
}

       不积小流无以成江河，不积跬步无以至千里。而我想要成为万里羊，就必须坚持学习来获取更多知识，用知识来改变命运，用博客见证成长，用行动证明我在努力。
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