Linux 进程编程入门
关于进程和线程的关系，之前一口君写过这几篇文章，大家可以参考下。
本文从头带着大家一起学习Linux进程
《搞懂进程组、会话、控制终端关系，才能明白守护进程干嘛的？》
《[粉丝问答6]子进程进程的父进程关系》
《多线程详解，一篇文章彻底搞懂多线程中各个难点》
《一个多线程的简单例子让你看清线程调度的随机性》
Linux 进程篇
一、进程相关概念
了解进程的时候先来了解几个问题，明白以下问题，就懂了进程的概念
1.什么是程序，什么是进程，两者之间的区别？
- 程序是静态的概念，gcc xxx.c -o pro 磁盘中生成pro文件，叫做程序 程序如：电脑上的图标
- 进程是程序的一次运行活动， 通俗点说就是程序跑起来了，系统中就多了一个进程
2.如何查看系统中有哪些进程？
-
使用ps指令查看 ： ps-aux 在ubuntu下查看，
在实际工作中，配合grep来查找程序中是否存在某一个进程grep 过滤进程 ： ps -aux | grep init 就只把带有init的进程过滤出来
-
使用top指令查看，类似windows任务管理器
3.什么是进程标识符？
每一个进程都有一个非负整数表示的唯一ID，叫做pid，类似身份证
pid =0 ：称为交换进程（swapper）
作用： 进程调度
pid=1 ：init 进程
作用： 系统初始化
- 编程调用getpid函数获取自身的进程标识符;
#includegetpid示例代码：
#include- getppid获取父进程的进程标识符;
4. 第一个进程 init 进程
Linux内核启动之后，会创建第一个用户级进程init，由上图可知， init 进程 (pid=1) 是除了 idle 进程(pid=0，也就是 init_task) 之外另一个比较特殊的进程，它是 Linux 内核开始建立起进程概念时第一个通过 kernel_thread 产生的进程，其开始在内核态执行，然后通过一个系统调用，开始执行用户空间的 / sbin/init 程序。
5.什么叫父进程，什么叫子进程？
进程A创建了进程B，那么A叫做父进程，B叫做子进程，父进程是相对的概念，理解为人类中的父子关系
6. c程序的存储空间是如何分配的？
gcc xxx.c -o a.out 当执行 ./a.out 时候，操作系统会划分一块内存空间，如何分配呢？
如下图：
二、创建进程函数fork的使用
pid_t fork(void);
功能：使用fork函数创建一个进程
fork函数调用成功，返回两次 返回值为0 ，代表当前进程是子进程
返回值非负数，代表当前进程为父进程 调用失败 ，返回-1
1. fork();示例代码
#include打印出了两遍 my pid 说明，有了两个进程！执行了两次打印pid
2. 查看父进程/子进程代码：
#include
父子进程都会进入if 中，但是输出结果会不同
在fork之前的pid 是8915 是父进程 ，fork之后pid是子进程 8916
3. 用返回值来判断父/子进程代码(1)：
返回值为0 ，代表当前进程是子进程
返回值非负数，代表当前进程为父进程
#include
4. 用返回值来判断父子进程代码(2)：
#include
这样更清楚明了的看到
fork 返回值：9915>0 是父进程 父进程号是9114
fork 返回值：=0 是子进程 子进程号是9915
三、进程创建后 发生了什么事？
1 在内存空间中fork后发生了什么？
2. ./demo4 运行的程序父进程是谁？
int main(int argc, const char *argv[])
{
while(1);
return 0;
}
./ demo4 编译运行后，我们ps -ef 查看进程ID
由上图可知，./demo4 进程的进程ID是12677，父进程ID是12587，即进程bash：
bash的父进程是gnome-terminal，所以我们打开1个Linux终端，其实就是启动了1个gnome-terminal进程。我们在这个终端上执行./a.out其实就是利用gnome-terminal的子进程bash通过execve()将创建的子进程装入a.out:
四、创建新进程的实际应用场景
1. fork创建子进程的一般目的：
-
一个父进程希望复制自己，使父、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——父进程等待客户端的服务请求。当这种情求达到时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求到达。
-
一个进程要执行一个不同的程序。这对shell是常见的情况，在这种情况下子进程从fork返回后立即调用exec。
2. 模拟socket 创建进程（服务器对接客户端的应用场景）示例代码：
#include输入非1时候，模拟没有客户端进行交互
输入1时候，模拟有客户端进行交互 ，创建子进程来进行交互，子进程号为：9756
模拟多个客户端进行交互时 ，创建多个子进程来进行交互，子进程号为：9756 / 9758 / 9759
查看系统进程：
3. fork总结：
一个现有进程可以调用fork函数创建一个新进程。
#include cunistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：子进程中返回0。父进程中返回子进程ID.出错返回-1
由fork创建的新进程被称为子进程（child
process)。fork函数被调用一次，但返回两次。两次返回的唯一区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新子进程的进程ID。将子进程ID返回给父进程的理由是：因为一个进程的子进程可以有多个，并且没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的进程ID。fork使子进程得到返回值0的理由是：一个进程只会有一个父进程，所以子进程总是可以调用getppid以获得其父进程的进程ID（进程ID0总是由内核交换进程使用，所以一个子进程的进程ID不可能为0)。
子进程和父进程继续执行fork调用之后的指令。子进程是父进程的副本。例如，子进程获得父进程数据空间、堆和栈的副本。注意，这是子进程所拥有的副本。父、子进程并不共享这些存储空间部分。父、子进程共享正文段。
由于在fork之后经常跟随着exec，所以现在的很多实现并不执行一个父进程数据段、栈和堆的完全复制。作为替代，使用了写时复制（Copy-On-Write，COW)技术。这些区域由父、子进程共享，而且内核将它们的访问权限改变为只读的。如果父、子进程中的任一个试图修改些区域，则内核只为修改区域的那块内存制作一个副本，通常是虚拟存储器系统中的一“页”。
Bach和McKusick等对这种特征做了更详细的说明。
五、vfork创建进程
1. vfork函数 也可以创建进程，与fork有什么区别？
关键区别一：
vfork直接使用父进程存储空间，不用拷贝
关键区别二：
vfork保证子进程先运行，当子进程调用exit退出后，父进程才执行
2. fork 进程调度 父子进程：
#include
3. vfork 进程调度 父子进程：
#includevfork保证子进程先运行，当子进程调用3次 exit退出后，父进程才执行
4. 子进程改变cnt值，在父进程运行时候也被改变
#include
六、ps 常带的一些参数
下面对ps命令选项进行说明：
| 命令参数 | 说明 |
|---|---|
| -e | 显示所有进程. |
| -f | 全格式。 |
| -h | 不显示标题。 |
| -l | 长格式。 |
| -w | 宽输出。 |
| -a | 显示终端上的所有进程，包括其他用户的进程。 |
| -r | 只显示正在运行的进程。 |
| -u | 以用户为主的格式来显示程序状况。 |
| -x | 显示所有程序，不以终端机来区分。 |
ps -ef 显示所有进程，全格式形式查看进程：
ps -ef 的每列的含义是什么呢？
| 命令参数 | 说明 |
|---|---|
| UID： | 程序被该 UID 所拥有，指的是用户ID |
| PID： | 就是这个程序的 ID |
| PPID ： | PID的上级父进程的ID |
| C ： | CPU使用的资源百分比 |
| STIME ： | 系统启动时间 |
| TTY： | 登入者的终端机位置 |
| TIME ： | 使用掉的 CPU时间。 |
| CMD： | 所下达的指令为何 |
七、进程退出
1. 子进程退出方式
正常退出：
- Mian函数调用return
- 进程调用exit()，标准c库
- 进程调用_exit()或者——Exit(),属于系统调用
- 进程最后一个线程返回
- 最后一个线程调用pthread_exit
异常退出：
- 调用abort
- 当进程收到某些信号时候，如ctrl+C
- 最后一个线程对取消（cancellation）,请求作出响应
不管进程如何终止，最后都会执行内核中的同一段代码。这段代码为相应进程关闭所有打开描述符，释放它所使用的存储器等。
对上述任意一种终止情形，我们都希望终止进程能够通知其父进程它是如何终止的。对于三个终止函数（exit、_exit和_Exit），实现这一点的方法是，将其退出状态作为参数传送给函数。【如上面示例里面写到的cnt==3情况下，exit(0);
这个0就是子进程退出状态。】在异常终止情况下，内核（不是进程本身）产生一个指示其异常终止原因的终止状态。在任何一种情况下，该终止进程的父进程都能用wait或者waitpid取得其终止状态。
正常退出的三个函数：
#include记得在结束子进程的时候要手动退出，不要使用break；会导致数据被破坏。 三种退出函数种，更推荐exit(); exit是 _exit 和_Exit 的一个封装, 会清除，冲刷缓冲区，把缓存区数据进程处理在退出。
2. 等待子进程退出
为什么要等待子进程退出？
创建子进程的目的就是为了让它去干活，在网络请求当中来了一个新客户端介入，创建子进程去交互，干活也要知道它干完没有.
比如正常退出（exit/_exit /_Exit）为 完成任务
若异常退出 （abort）不想干了， 或被杀了
所有要等待子进程退出，而且还要收集它退出的状态
等待就是调用wait函数 和 waitpid函数
3. 僵尸进程
子进程退出状态不被收集，会变成僵死进程（僵尸进程）
正如以下例子，就是子进程退出没有被收集，成了僵尸进程：
#include
运行三次子进程后，退出，父进程一直运行
结果：在查看进程时发现，父进程11314正在运行 “S+” 而子进程11315 停止运行 “z+” z表示zombie（僵尸）
4. 等待函数：wait(状态码); 的使用：
#include-
如果其所有子进程都还在运行，则阻塞。： 通俗的说就是子进程在运行的时候，父进程卡在wait位置阻塞，等子进程退出后，父进程开始运行。
-
如果一个子进程已终止，正等待父进程获取其终止状态，则会取得该子进程的终止状态立即返回。
-
如果它没有任何子进程，则立即出错返回。
status参数： 是一个整型数指针
非空： 子进程退出状态放在它所指向的地址中。
空： 不关心退出状态
检查wait 和 waitpid 所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），取子进程传送给exit、_exit 或_Exit参数的低8位 |
| WIFSIGNALED (status) | 若为异常终止子进程返回的状态，则为真（接到一个不捕捉的信号）。对于这种情况，可执行WTERMSIG(status),取使子进程终止的信号编号。另外，有些实现（非Single UNIX Specification）宏义宏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WSTIOPSIG（status），取使子进程暂停的信号编号 |
| WIFCONTINUED (status) | 若在作业控制暂停后已经继续的子进程返回了状态，则为真。（POSIX.1的XSI扩展，仅用于waitpid。） |
| 比如说：exit(3) wait (状态码); 要通过宏来解析状态码 |
5. 收集退出进程状态
pid = vfork();
if(pid >0){
while(1){
printf("cnt=%d\n",cnt);
printf("this is father print pid is %d\n",getpid());
sleep(1);
}
}else if(pid == 0){
wait(NULL); // 参数：status 是一个地址 为空 表示不关心退出状态
while(1){
printf("this is child print pid is =%d\n",getpid());
sleep(1);
cnt++;
if(cnt == 3 ){
exit(0);
}
}
}
wait(NULL); // 参数：status 是一个地址 为空 表示不关心退出状态
没有了11567子进程，这样就不是僵尸进程了
收集子进程退出状态示例代码：
int main()
{
pid_t pid;
int cnt=0;
int status =10;
printf("cnt=%d\n",cnt);
pid = vfork();
if(pid >0){
wait(&status); // 参数status是一个地址
printf("child out ,chile status =%d\n",WEXITSTATUS(status)); //要解析状态码，需要借助WEXITSTATUS
while(1){
printf("cnt=%d\n",cnt);
printf("this is father print pid is %d\n",getpid());
sleep(1);
}
}else if(pid == 0){
while(1){
printf("this is child print pid is =%d\n",getpid());
sleep(1);
cnt++;
if(cnt == 3 ){
exit(5);
}
}
}
int status =10;
wait(&status); // 参数status是一个地址
printf(“child out ,chile status =%d\n”,WEXITSTATUS(status)); //要解析状态码，需要借助WEXITSTATUS
结果显示：exit(5); 就能看到子进程退出的状态 status=5
6. 等待函数：waitpid（）的使用；
wait和waitpid的区别之一：
wait使父进程（调用者）阻塞，waitpid有一个选项 ，可以使父进程（调用者）不阻塞。
pid_t waitpid(pid_t pid , int *status ,int options);
对于waitpid函数种pid参数的作用解释如下：
| pid == -1 | 等待任一子进程。就这一方面而言，waitpid与wait等效。 |
| pid > 0 | 等待其进程ID与pid相等的子进程。 |
| pid == 0 | 等待其组ID等于调用进程组ID的任一子进程 |
| pid <-1 | 等待其组ID等于pid绝对值的任一子进程。 |
waitpid 的 options 常量:
| WCONTINUED | 若实现支持作业控制，那么由pid指定的任一子进程在暂停后已经继续，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 | 若某实现支持作业控制，而由pid指定的任一子进程已处于暂停状态。 |
waitpid 来使得父进程不阻塞代码：
int main()
{
pid_t pid;
int cnt=0;
int status =10;
printf("cnt=%d\n",cnt);
pid = vfork();
if(pid >0){
waitpid(pid,&status,WNOHANG); // 参数pid 是子进程号，WNOHANG是若由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；
printf("child out ,chile status =%d\n",WEXITSTATUS(status));
while(1){
printf("cnt=%d\n",cnt);
printf("this is father print pid is %d\n",getpid());
sleep(1);
}
}else if(pid == 0){
while(1){
printf("this is child print pid is =%d\n",getpid());
sleep(1);
cnt++;
if(cnt == 3 ){
exit(5);
}
}
}
子进程和父进程同时进行
但是发现子进程12275 在系统查询进程中 还是变成了僵尸进程
原因是 WNOHANG是不等待参数，它只运行一遍 ，当他运行时候，子进程没死，等子进程死后，他没运行，就没有收到停止状态，所以成了僵尸进程。
八、孤儿进程
1. 孤儿进程的概念：
父进程如果不等待子进程退出，在子进程结束前就了结束了自己的“生命”，此时子进程就叫做孤儿进程。
2.孤儿进程被收留：
Linux避免系统存在过多孤儿进程，init进程收留孤儿进程，变成孤儿进程的父进程【init进程(pid=1)是系统初始化进程】。init 进程会自动清理所有它继承的僵尸进程。
孤儿进程的代码:
#include
父进程运行结束前，子进程的父进程pid还是13098。
父进程运行结束后，子进程的父进程变成了init进程( pid=1)。
九、exec族函数
1. exec族函数的作用：
我们用fork函数创建新进程后，经常会在新进程中调用exec函数去执行另外一个程序。当进程调用exec函数时，该进程被完全替换为新程序因为调用exec函数并不创建新进程，所以前后进程的ID并没有改变。
2. 为什么要用exec族函数，有什么作用？
- 一个父进程希望复制自己，使父、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——父进程等待客户端的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求到达。
- 一个进程要执行一个不同的程序。这对shell是常见的情况。在这种情况下，子进程从fork返回后立即调用exec。
3. exec族函数定义：
功能：
exec函数族提供了一种在进程中启动另一个程序执行的方法，它可以根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代原调用进程的数据段、代码段和堆栈段。在执行完之后，原调用进程的内容除了进程号外，其他全部都被替换了。
在调用进程内部执行一个可执行文件，可执行文件既可以是二进制文件，也可以是linux下可执行的脚本文件。【通俗理解就是执行demo1的同时，执行一半去执行demo2。】
函数族：
execl、execlp、execle、execv、execvp、execvpe
函数原型：
#include返回值：
exec函数族的函数执行成功后不会返回，调用失败时，会设置errno并返回-1，然后从原程序的调用点接着往下执行。
参数说明：
path ：可执行文件的路径名字
arg：可执行程序所带的参数，第一个参数为可执行文件名字，没有带路径且arg必须以NULL结束。
file：如果参数file中包含/，则就将其视为路径名，否则就按PATH环境变量，在它所指定的各目录中搜寻可执行文件。
exec族函数参数极难记忆和分辨，函数名中的字符会给我们一些帮助：
| 字符 | 说明 |
|---|---|
| l | 使用参数列表 |
| p | 使用文件名，并从PATH环境寻找可执行文件 |
| v | 应该先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组的地址作为这些函数的参数。 |
| e | 多了envp[]数组，使用新的环境变量代替调用进程的环境变量 |
4. exec函数 带 l 带p 带v 来说明参数特点
先写一个带参数的程序，输入参数 输出参数，在上一篇Linux文件编程里，main参数我们学过。
./echoarg代码：
#include在执行a.out 代码一半的时候，调用上面的代码echoarg
#includeexec函数族的函数执行成功后不会返回，调用失败时，会设置errno并返回-1，然后从原程序的调用点接着往下执行。
if(execl(“/bin/echoarg”,“echoarg”,“abc”,NULL)==-1)
源代码：int execl(char *path , char *arg , …);
//最后一个参数是：arg必须以NULL结束。
在执行a.out 代码一半的时候，调用上面的代码echoarg:
exec函数族的函数执行成功后不会返回，调用失败时，会设置errno并返回-1，然后从原程序的调用点接着往下执行。
perror(“why”); //用来在执行错误时候，查询错误原因
若要调用ech 执行一般执行ls ，同理。只需要改动
if(execl(“/bin/ls”,“ls”,NULL,NULL)==-1)
若要调用ech 执行一般执行ls-l ，同理。
if(execl(“/bin/ls”,“ls”,“-l”,NULL)==-1)
execlp 和execl 的区别
带p : 可以通过环境变量PATH环境寻找可执行文件
#include在路径中不用写具体路径，就可以自动找到文件
execvp 和execl 的区别
#includechar *argv[] = {“ps”,NULL,NULL};
if(execvp(“ps”,argv)==-1)
结果与上面相同
5. 任何目录下执行程序
一个程序在目录下能运行，换一个目录就无法运行，如果把程序配置到环境变量里面去。
pwd显示当前路径
echo $ PATH 查看环境变量
export PATH=$PATH: [pwd显示的当前路径]
就可以在任何目录下执行程序了
6. exec配合fork使用
一个进程要执行一个不同的程序。这对shell是常见的情况。在这种情况下，子进程从fork返回后立即调用exec。
1. 不用exec的方法： 实现功能，当父进程检查到输入为1的时候，创建子进程把配置文件的字段值修改掉。
#include
实现了当父进程检查到输入为1的时候，创建子进程把配置文件的字段值修改掉。
2. 用exec的方法： 实现功能，当父进程检查到输入为1的时候，创建子进程把配置文件的字段值修改掉。
int main()
{
pid_t pid;
int data = 10;
while(1){
printf("please input a data\n");
scanf("%d",&data);
if(data == 1){
pid = fork();
if(pid > 0){
wait(NULL);
}
if(pid == 0){
execl("./changdata","changdata","config.txt",NULL);
exit(0);
}
}else {
printf("do noting\n");
}
}
return 0;
}
使用execl 和 fork 结合 也能做到上面结果，而且更方便，但是在 ./changdata 可执行文件存在的情况下。
十、system函数
1. system函数定义：
函数原型：
#include函数说明：
system()会调用fork()产生子进程，由子进程来调用/bin/sh-c
string来执行参数string字符串所代表的命令，此命令执行完后随即返回原调用的进程。在调用system()期间SIGCHLD
信号会被暂时搁置，SIGINT和SIGQUIT 信号则会被忽略。
返回值：
system()函数的返回值如下：
成功，则返回进程的状态值；
当sh不能执行时，返回127；
失败返回-1；
2. system函数的使用：
用system也可以做到execl的功能
用system实现修改配置 数值代码：
int main()
{
pid_t pid;
int data = 10;
while(1){
printf("please input a data\n");
scanf("%d",&data);
if(data == 1){
pid = fork();
if(pid > 0){
wait(NULL);
}
if(pid == 0){
execl("./changdata config.txt");
exit(0);
}
}else {
printf("do noting\n");
}
}
return 0;
}
3. system和execl不同的是：
sysem运行完调用的可执行文件后还会继续执行源代码。
附加说明：
在编写具有SUID/SGID权限的程序时请勿使用system()，system()会继承环境变量，通过环境变量可能会造成系统安全的问题。
十一、popen函数
1. popen函数的定义：
函数原型：
#include参数说明：
command: 是一个指向以NULL结束的shell命令字符串的指针。这行命令将被传到bin/sh并且使用 -c标志
，shell将执行这个命令。
type： 只能是读或者写中的一种，得到的返回值（标准I/O流）也具有和type相应 的只读或只写类型。如果type是”r“
则文件指针连接到command的标准输出；如果type是”w“则文件指针连接到command的标准输入。
返回值:
如果调用成功，则返回一个读或者打开文件的指针，如果失败，返回NULL，具体错误要根据errno判断
int pclose（FILE *stream）
参数说明：
stream：popen返回对丢文件指针
返回值：
如果调用失败，返回-1
作用：
popen（）函数用于创建一个管道：其内部实现为调用fork产生一个子进程，执行一个shell以运行命令来开启一个进程这个进程必须由pclose（）函数关闭。
popen比system 在应用中的好处：
可以获取运行的输出结果
popen函数执行完，执行结果到管道内，数据流出的时候，在管道尾部fread就可以读出执行数据，就能实现把数据读到或写到想要的缓冲区里。
2. popen函数的使用：
#include结果发现：
popen函数结束后，ps 输出的内容， 都捕获到 ret 数组里面去了。
popen可以获取运行的输出结果 ，可以读取也可以写入文件中。
