Linux系统编程5(进程)

Linux系统编程5(进程相关概念，父子进程，孤儿进程和僵尸进程)

1 进程和程序 (理解)

我们平时写的 C 语言代码，通过编译器编译，最终它会成为一个可执行程序，当这个可执行程序运行起来后（没有结束之前），它就成为了一个进程。

程序是存放在存储介质上的一个可执行文件，而进程是程序执行的过程。进程的状态是变化的，其包括进程的创建、调度和消亡。程序是静态的，进程是动态的。

程序就类似于剧本(纸)，进程类似于戏(舞台、演员、灯光、道具…)，同一个剧本可以在多个舞台同时上演。同样，同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)。

在 Linux 系统中，操作系统是通过进程去完成一个一个的任务，进程是管理事务的基本单元。

进程拥有自己独立的处理环境（如：当前需要用到哪些环境变量，程序运行的目录在哪，当前是哪个用户在运行此程序等）和系统资源（如：处理器 CPU 占用率、存储器、I/O设备、数据、程序）。

我们可以这么理解，公司相当于操作系统，部门相当于进程，公司通过部门来管理（系统通过进程管理），对于各个部门，每个部门有各自的资源，如人员、电脑设备、打印机等。

2 单道、多道程序设计(了解)

2.1 单道程序设计

所有进程一个一个排队执行。若A阻塞，B只能等待，即使CPU处于空闲状态。而在人机交互时阻塞的出现是必然的。所有这种模型在系统资源利用上及其不合理，在计算机发展历史上存在不久，大部分便被淘汰了。

2.2 多道程序设计

在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。多道程序设计必须有硬件基础作为保证。

在计算机中时钟中断即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。 操作系统中的中断处理函数，来负责调度程序执行。

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)。而当下常见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
1s = 1000000000ns

3 并行和并发(理解)

并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。

并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。

4 MMU(了解)

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。

5 进程控制块PCB(了解)

进程运行时，内核为进程每个进程分配一个PCB（进程控制块），维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。

其内部成员有很多，我们掌握以下部分即可：

• 进程id。系统中每个进程有唯一的id，在C语言中用
• pid_t类型表示，其实就是一个非负整数。
• 进程的状态，有就绪、运行、挂起、停止等状态。
• 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器。
• 描述虚拟地址空间的信息。
• 描述控制终端的信息。
• 当前工作目录（Current Working Directory）。
• umask掩码。
• 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针。
• 和信号相关的信息。
• 用户id和组id。
• 会话（Session）和进程组。
• 进程可以使用的资源上限（Resource Limit）。

6 进程的状态(重点)

进程状态反映进程执行过程的变化。这些状态随着进程的执行和外界条件的变化而转换。

在三态模型中，进程状态分为三个基本状态，即运行态，就绪态，阻塞态。

在五态模型中，进程分为新建态、终止态，运行态，就绪态，阻塞态。

• ①TASK_RUNNING：进程正在被CPU执行。当一个进程刚被创建时会处于TASK_RUNNABLE，表示己经准备就绪，正等待被调度。

• ②TASK_INTERRUPTIBLE（可中断）：进程正在睡眠（也就是说它被阻塞）等待某些条件的达成。一旦这些条件达成，内核就会把进程状态设置为运行。处于此状态的进程也会因为接收到信号而提前被唤醒，比如给一个TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程发送SIGKILL信号，这个进程将先被唤醒（进入TASK_RUNNABLE状态），然后再响应SIGKILL信号而退出（变为TASK_ZOMBIE状态），并不会从TASK_INTERRUPTIBLE状态直接退出。

• ③TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断）：处于等待中的进程，待资源满足时被唤醒，但不可以由其它进程通过信号或中断唤醒。由于不接受外来的任何信号，因此无法用kill杀掉这些处于该状态的进程。而TASK_UNINTERRUPTIBLE状态存在的意义就在于，内核的某些处理流程是不能被打断的。如果响应异步信号，程序的执行流程中就会被插入一段用于处理异步信号的流程，于是原有的流程就被中断了，这可能使某些设备陷入不可控的状态。处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态一般总是非常短暂的，通过ps命令基本上不可能捕捉到。

• ④TASK_ZOMBIE（僵死）：表示进程已经结束了，但是其父进程还没有调用wait4或waitpid()来释放进程描述符。为了父进程能够获知它的消息，子进程的进程描述符仍然被保留着。一旦父进程调用了wait4()，进程描述符就会被释放。

• ⑤TASK_STOPPED（停止）：进程停止执行。当进程接收到SIGSTOP，SIGTSTP，SIGTTIN，SIGTTOU等信号的时候。此外，在调试期间接收到任何信号，都会使进程进入这种状态。当接收到SIGCONT信号，会重新回到TASK_RUNNABLE。

查看进程状态

[wiggins@localhost iofile]$ ps aux

stat中的参数意义如下：

参数	含义
D	不可中断 Uninterruptible（usually IO）
R	正在运行，或在队列中的进程
S(大写)	处于休眠状态
T	停止或被追踪
Z	僵尸进程
W	进入内存交换（从内核2.6开始无效）
X	死掉的进程
<	高优先级
N	低优先级
s	包含子进程
+	位于前台的进程组

6.1 ps

进程是一个具有一定独立功能的程序，它是操作系统动态执行的基本单元。

ps命令可以查看进程的详细状况，常用选项(选项可以不加“-”)如下：

选项	含义
-a	显示终端上的所有进程，包括其他用户的进程
-u	显示进程的详细状态
-x	显示没有控制终端的进程
-w	显示加宽，以便显示更多的信息
-r	只显示正在运行的进程

6.2 top

top命令用来动态显示运行中的进程。top命令能够在运行后，在指定的时间间隔更新显示信息。可以在使用top命令时加上-d 来指定显示信息更新的时间间隔。

在top命令执行后，可以按下按键得到对显示的结果进行排序：

按键	含义
M	根据内存使用量来排序
P	根据CPU占有率来排序
T	根据进程运行时间的长短来排序
U	可以根据后面输入的用户名来筛选进程
K	可以根据后面输入的PID来杀死进程
q	退出
h	获得帮助

6.3 kill

kill命令指定进程号的进程，需要配合 ps 使用。

使用格式：

kill [-signal] pid

信号值从0到15，其中9为绝对终止，可以处理一般信号无法终止的进程。

kill 9133 ：9133 为应用程序所对应的进程号

有些进程不能直接杀死，这时候我们需要加一个参数“ -9 ”，“ -9 ” 代表强制结束：

6.4 killall

通过进程名字杀死进程

7. 进程号和相关函数

每个进程都由一个进程号来标识，其类型为 pid_t（整型），进程号的范围：0～32767。进程号总是唯一的，但进程号可以重用。当一个进程终止后，其进程号就可以再次使用。

接下来，再给大家介绍三个不同的进程号。

进程号（PID）：

标识进程的一个非负整型数。

父进程号（PPID）：

任何进程（ 除 init 进程）都是由另一个进程创建，该进程称为被创建进程的父进程，对应的进程号称为父进程号（PPID）。如，A 进程创建了 B 进程，A 的进程号就是 B 进程的父进程号。

进程组号（PGID）：

进程组是一个或多个进程的集合。他们之间相互关联，进程组可以接收同一终端的各种信号，关联的进程有一个进程组号（PGID） 。这个过程有点类似于 QQ 群，组相当于 QQ 群，各个进程相当于各个好友，把各个好友都拉入这个 QQ 群里，主要是方便管理，特别是通知某些事时，只要在群里吼一声，所有人都收到，简单粗暴。但是，这个进程组号和 QQ 群号是有点区别的，默认的情况下，当前的进程号会当做当前的进程组号。

7.1 getpid函数

#include 
#include 
​
pid_t getpid(void);
功能：
    获取本进程号（PID）
参数：
    无
返回值：
    本进程号

7.2 getppid函数

#include 
#include 
​
pid_t getppid(void);
功能：
    获取调用此函数的进程的父进程号（PPID）
参数：
    无
返回值：
    调用此函数的进程的父进程号（PPID）

7.3 getpgid函数

#include 
#include 
​
pid_t getpgid(pid_t pid);
功能：
    获取进程组号（PGID）
参数：
    pid：进程号
返回值：
    参数为 0 时返回当前进程组号，否则返回参数指定的进程的进程组号

示例程序：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t pid, ppid, pgid;
    
    pid = getpid();
    printf("pid = %d\n",pid);
    
    ppid = getppid();
    printf("ppid = %d\n",ppid);

    pgid = getpgid(pid);
    printf("pgid = %d\n", pgid);
    
    return 0;
}

示例运行结果：

8. 进程的创建（重点）

系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。

#include 
#include 
​
pid_t fork(void);
功能：
    用于从一个已存在的进程中创建一个新进程，新进程称为子进程，原进程称为父进程。
参数：
    无
返回值：
    成功：子进程中返回 0，父进程中返回子进程 ID。pid_t，为整型。
    失败：返回-1。
    失败的两个主要原因是：
        1）当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时 errno 的值被设置为 EAGAIN。
        2）系统内存不足，这时 errno 的值被设置为 ENOMEM。

示例代码：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    fork();
    printf("id ===== %d\n", getpid());  //获取进程号

    return 0;
}

示例运行结果

从运行结果，我们可以看出，fork() 之后的打印函数打印了两次，而且打印了两个进程号，这说明，fork() 之后确实创建了一个新的进程，新进程为子进程，原来的进程为父进程。

9 父子进程关系

使用 fork() 函数得到的子进程是父进程的一个复制品，它从父进程处继承了整个进程的地址空间：包括进程上下文（进程执行活动全过程的静态描述）、进程堆栈、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号等。

子进程所独有的只有它的进程号，计时器等（只有小量信息）。因此，使用 fork() 函数的代价是很大的。

简单来说， 一个进程调用 fork() 函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。

实际上，更准确来说，Linux 的 fork() 使用是通过写时拷贝 (copy- on-write) 实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个进程的地址空间，而是让父子进程共享同一个地址空间。只用在需要写入的时候才会复制地址空间，从而使各个进行拥有各自的地址空间。也就是说，资源的复制是在需要写入的时候才会进行，在此之前，只有以只读方式共享。

注意：fork之后父子进程共享文件，fork产生的子进程与父进程相同的文件文件描述符指向相同的文件表，引用计数增加，共享文件文件偏移指针。

10. 区分父子进程

子进程是父进程的一个复制品，可以简单认为父子进程的代码一样的。那大家想过没有，这样的话，父进程做了什么事情，子进程也做什么事情（如上面的例子），是不是不能实现满足我们实现多任务的要求呀，那我们是不是要想个办法区别父子进程呀，这就通过 fork() 的返回值。

fork() 函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是：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。

示例展示：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if(pid < 0)
    {   
        //没有创建成功
        perror("fork");
        return 0;
    }   

    if(0 == pid)
    {   
        //子进程
        while(1)
        {   
            printf("I am son\n");
            sleep(1);
        }   
    }   
    else if(pid > 0)
    {   
        //父进程
        while(1)
        {   
            printf("I am father\n");
            sleep(1);
        }   
    }   

    return 0;
}

示例运行结果：

通过运行结果，可以看到，父子进程各做一件事（各自打印一句话）。这里，我们只是看到只有一份代码，实际上，fork() 以后，有两个地址空间在独立运行着，有点类似于有两个独立的程序（父子进程）在运行着。

一般来说，在 fork() 之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的。这取决于内核所使用的调度算法。

需要注意的是，在子进程的地址空间里，子进程是从 fork() 这个函数后才开始执行代码。

11. 父子进程地址空间

父子进程各自的地址空间是独立的。

示例展示：

#include 
#include 
#include 

//全局变量
int a = 10;

int main()
{
    //局部变量
    int b = 20;
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if(pid < 0)
    {   
        //没有创建成功
        perror("fork");
        return 0;
    }   

    if(0 == pid)
    {   
        //子进程修改其值
        a = 111;
        b = 222;
        printf("I am son: a = %d, b = %d\n", a, b); 
    }   
    else if(pid > 0)
    {   
        //父进程后执行(sleep)
        sleep(1);
        printf("I am father: a = %d, b = %d\n", a, b); 
    }   

    return 0;
}

示例运行结果：

通过结果得知，在子进程修改变量 a，b 的值，并不影响到父进程 a，b 的值。

12. 进程相关命令

12.1 ps命令

ps命令可以查看进程的详细状况，常用选项(选项可以不加“-”)如下：

选项	含义
-a	显示终端上的所有进程，包括其他用户的进程
-u	显示进程的详细状态
-x	显示没有控制终端的进程
-j	列出与作业控制相关的信息

显示当前用户下所有进程：ps aux
以比较完整的格式显示所有的进程：ps ajx

12.2 kill命令

命令功能: 发送指定的信号到相应进程。

kill 9133：9133 为应用程序所对应的进程号

查看信号编号: kill -l(字母)

有些进程不能直接杀死，这时候我们需要加一个参数“-9”，使用9号信号SIGKILL

杀死进程: kill -SIGKILL/(-9) 89899【进程标识号】

13. GDB调试多进程

使用gdb调试的时候，gdb只能跟踪一个进程。可以在fork函数调用之前，通过指令设置gdb调试工具跟踪父进程或者是跟踪子进程。默认跟踪父进程。

• set follow-fork-mode child 设置gdb在fork之后跟踪子进程。
• set follow-fork-mode parent 设置跟踪父进程（默认）。

注意，一定要在fork函数调用之前设置才有效。

14. 进程退出函数

相关函数：exit

#include 
void exit(int status);
​
#include 
void _exit(int status);
功能：
    结束调用此函数的进程。
参数：
    status：返回给父进程的参数（低 8 位有效），至于这个参数是多少根据需要来填写。
返回值：
    无

exit() 和 _exit() 函数功能和用法是一样的，无非时所包含的头文件不一样，还有的区别就是：exit()属于标准库函数，exit()属于系统调用函数。

15. 等待子进程退出函数

15.1 概述

在每个进程退出的时候，内核释放该进程所有的资源、包括打开的文件、占用的内存等。但是仍然为其保留一定的信息，这些信息主要主要指进程控制块PCB的信息（包括进程号、退出状态、运行时间等）。

父进程可以通过调用wait或waitpid得到它的退出状态同时彻底清除掉这个进程。

wait() 和 waitpid() 函数的功能一样，区别在于，wait() 函数会阻塞，waitpid() 可以设置不阻塞，waitpid() 还可以指定等待哪个子进程结束。

注意：一次wait或waitpid调用只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环。

15.2 wait函数

函数说明：

#include 
#include 
​
pid_t wait(int *status);
功能：
    等待任意一个子进程结束，如果任意一个子进程结束了，此函数会回收该子进程的资源。
参数：
    status : 进程退出时的状态信息。
返回值：
    成功：已经结束子进程的进程号
    失败： -1

调用 wait() 函数的进程会挂起（阻塞），直到它的一个子进程退出或收到一个不能被忽视的信号时才被唤醒（相当于继续往下执行）。

若调用进程没有子进程，该函数立即返回；若它的子进程已经结束，该函数同样会立即返回，并且会回收那个早已结束进程的资源。

所以，wait()函数的主要功能为回收已经结束子进程的资源。

如果参数 status 的值不是 NULL，wait() 就会把子进程退出时的状态取出并存入其中，这是一个整数值（int），指出了子进程是正常退出还是被非正常结束的。

这个退出信息在一个 int 中包含了多个字段，直接使用这个值是没有意义的，我们需要用宏定义取出其中的每个字段。

宏函数可分为如下三组：

1. WIFEXITED(status)

为非0 → 进程正常结束

WEXITSTATUS(status)

如上宏为真，使用此宏 → 获取进程退出状态 (exit的参数)

2. WIFSIGNALED(status)

为非0 → 进程异常终止

WTERMSIG(status)

如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程终止的那个信号的编号。

3. WIFSTOPPED(status)

为非0 → 进程处于暂停状态

WSTOPSIG(status)

如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程暂停的那个信号的编号。

WIFCONTINUED(status)

为真 → 进程暂停后已经继续运行

15.3 waitpid函数

函数说明：

#include 
#include 
​
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
功能：
    等待子进程终止，如果子进程终止了，此函数会回收子进程的资源。
​
参数：
    pid : 参数 pid 的值有以下几种类型：
      pid > 0  等待进程 ID 等于 pid 的子进程。
      pid = 0  等待同一个进程组中的任何子进程，如果子进程已经加入了别的进程组，waitpid 不会等待它。
      pid = -1 等待任一子进程，此时 waitpid 和 wait 作用一样。
      pid < -1 等待指定进程组中的任何子进程，这个进程组的 ID 等于 pid 的绝对值。
​
    status : 进程退出时的状态信息。和 wait() 用法一样。
​
    options : options 提供了一些额外的选项来控制 waitpid()。
            0：同 wait()，阻塞父进程，等待子进程退出。
            WNOHANG：没有任何已经结束的子进程，则立即返回。
            WUNTRACED：如果子进程暂停了则此函数马上返回，并且不予以理会子进程的结束状态。（由于涉及到一些跟踪调试方面的知识，加之极少用到）
                 
返回值：
    waitpid() 的返回值比 wait() 稍微复杂一些，一共有 3 种情况：
        1) 当正常返回的时候，waitpid() 返回收集到的已经回收子进程的进程号；
        2) 如果设置了选项 WNOHANG，而调用中 waitpid() 发现没有已退出的子进程可等待，则返回 0；
        3) 如果调用中出错，则返回-1，这时 errno 会被设置成相应的值以指示错误所在，如：当 pid 所对应的子进程不存在，或此进程存在，但不是调用进程的子进程，waitpid() 就会出错返回，这时 errno 被设置为 ECHILD；

16. 孤儿进程

父进程运行结束，但子进程还在运行（未运行结束）的子进程就称为孤儿进程（Orphan Process）。

每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤儿进程的父进程设置为 init ，而 init 进程会循环地 wait() 它的已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候，init 进程就会代表党和政府出面处理它的一切善后工作。

因此孤儿进程并不会有什么危害。

​17. 僵尸进程

进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程。

这样就会导致一个问题，如果进程不调用wait() 或 waitpid() 的话， 那么保留的那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵尸进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程，此即为僵尸进程的危害，应当避免。

18. 进程替换

概述

在 Windows 平台下，我们可以通过双击运行可执行程序，让这个可执行程序成为一个进程；而在 Linux 平台，我们可以通过 ./ 运行，让一个可执行程序成为一个进程。

但是，如果我们本来就运行着一个程序（进程），我们如何在这个进程内部启动一个外部程序，由内核将这个外部程序读入内存，使其执行起来成为一个进程呢？这里我们通过 exec 函数族实现。

exec 函数族，顾名思义，就是一簇函数，在 Linux 中，并不存在 exec() 函数，exec 指的是一组函数，一共有 6 个：

#include 
extern char **environ;
​
int execl(const char *path, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
int execlp(const char *file, const char *arg, ... /* (char  *) NULL */);
int execle(const char *path, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char * const envp[] */);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
​
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

其中只有 execve() 是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数。

exec 函数族的作用是根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。

进程调用一种 exec 函数时，该进程完全由新程序替换，而新程序则从其 main 函数开始执行。因为调用 exec 并不创建新进程，所以前后的进程 ID （当然还有父进程号、进程组号、当前工作目录……）并未改变。exec 只是用另一个新程序替换了当前进程的正文、数据、堆和栈段（进程替换）。

exec 函数族使用说明

exec 函数族的 6 个函数看起来似乎很复杂，但实际上无论是作用还是用法都非常相似，只有很微小的差别。

补充说明：

l(list)	参数地址列表，以空指针结尾
v(vector)	存有各参数地址的指针数组的地址
p(path)	按 PATH 环境变量指定的目录搜索可执行文件
e(environment)	存有环境变量字符串地址的指针数组的地址

exec 函数族与一般的函数不同，exec 函数族中的函数执行成功后不会返回，而且，exec 函数族下面的代码执行不到。只有调用失败了，它们才会返回 -1，失败后从原程序的调用点接着往下执行。