Linux编程基础 3.1：进程控制

1 进程相关概念

1.1 进程和程序

• 程序：编译好的二进制文件，在磁盘上，不占用系统资源（cpu、内存、打开的文件、设备、锁…）
• 进程：一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。
• 程序运行起来，产生一个进程；同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)。

1.2 并发

在操作系统中，一个时间段有多个进程都处于已启动运行到运行完毕之间的状态。但是任一个时刻点上仍只有一个进程在运行。

图 分时复用cpu

1.3 多道程序设计

时钟中断为多道程序设计模型的理论基础。 并发时，任意进程在执行期间都不希望放弃cpu。因此系统需要一种强制让进程让出cpu资源的手段。
时钟中断有硬件基础作为保障，对进程而言不可抗拒。
操作系统的中断处理函数负责调度程序执行。
在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用CPU (分时复用CPU资源)。
当下常见CPU为纳秒级，1秒可以执行大约10亿条指令。
由于人眼的反应速度是毫秒级，所以看似同时在运行。
1s = 1000ms, 1ms = 1000us, 1us = 1000ns 1000000000
实质上，并发是宏观并行，微观串行！

1.4 进程状态

进程基本的状态有5种。分别为初始态，就绪态，运行态，挂起态与终止态。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看。

2 进程控制

fork()
exec函数族
wait()
exit()

2.1 创建进程

#include 
pid_t fork(void);

功能：创建进程；函数执行后，系统会创建一个与原进程几乎相同的进程，之后父子进程都继续执行，如图所示：

图 fork函数创建子进程

参数说明：无

返回值说明：

• 成功：返回两个值，子进程创建成功后，原程序会被复制，就有了两个fork函数。父进程的fork函数会返回子进程的pid，子进程的fork函数会返回0.
• 不成功：若子进程创建失败，原程序不会复制，父进程的fork函数返回-1。

【案例 1】使用fork函数创建一个进程，创建成功后父子进程分别执行不同的功能。

test_fork.c
#include 
#include 
#include 
int main(){
	pid_t tempPid;
	tempPid = fork();
	if(tempPid == -1){
		perror("fork error");
	}else if(tempPid > 0){//parent
		printf("parent process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
	}else{//child
		printf("child process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
	}//of if
	printf("......finish......");
	return 0;
}//of main

【思考 1】多次执行test_fork会发现，child process后输出的ppid不等于parent process的pid，而等于1。请说明原因。
【提示】出现这种情况，是因为父进程先于子进程终止，子进程变成“孤儿进程”，后面由init进程来接收。

2.2 创建多个进程

上面的案例是创建一个子进程，如果要创建多个子进程呢？
可否对上面的案例进行修改，进行简单的循环即可：

int i;
for(i = 0; i < 2; i ++){
	tempPid = fork();
}//of for i

分析如下：

• 每次调用fork函数，系统会复制原程序
• i=0，第一次循环，会有两份test_fork文件
• i=1，第二次循环，第一份test_fork文件又会有两份test_fork文件，第二份test_fork文件也会有两份
• 每一次循环，进程的总数是当前进程数量的两倍，2次循环则为$2^2=4$个进程。

【解决方法】：如果只希望父进程可以创建新进程，则在for循环中添加一个判断：若当前进程不是父进程，则跳出循环。

【案例 2】

test_fork2.c
#include 
#include 
#include 
int main(){
	pid_t tempPid;
	int i;
	for(i = 0; i < 2; i ++){
		if((tempPid = fork()) == 0){
			break;
		}//of if
	}//of for i
	if(tempPid == -1){
		perror("fork error");
	}else if(tempPid > 0){//parent
		printf("parent process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
	}else{//child
		printf("I am child process = %d, pid = %d, ppid = %d\n", i + 1, getpid(), getppid());
	}//of if
	printf("......finish......");
	return 0;
}//of main

【思考 2】：案例2的输出结果有如下问题：
（1）子进程的编号不是递增的；
（2）终端提示符后面仍然有子进程信息打印，而命令提示符在最后一行的开头闪烁。
这是为什么？

提示：
在Linux系统中，子进程应由父进程回收，但是当子进程被创建后，它与它的父进程及其它进程共同竞争系统资源，所以父子进程执行的顺序是不确定的，终止的先后顺序也是不确定的。
Shell命令提示符也是1个进程，它需要和新建进程一起竞争CPU。

2.3 进程的执行顺序：利用sleep函数，暂缓进程执行

【案例 3】

test_fork3.c
#include 
#include 
#include 
int main(){
	pid_t tempPid;
	int i;
	for(i = 0; i < 2; i ++){
		if((tempPid = fork()) == 0){
			break;
		}//of if
	}//of for i
	if(tempPid == -1){
		perror("fork error");
	}else if(tempPid > 0){//parent
		sleep(2);
		printf("parent process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
	}else{//child
	 	sleep(i);
		printf("I am child process = %d, pid = %d, ppid = %d\n", i + 1, getpid(), getppid());
	}//of if
	printf("......finish......");
	return 0;
}//of main