LinuxC编程——进程

一、概念

进程和程序是密不可分的两组概念，相对比，便于理解。

1.1 程序

简单来说，程序即编译好的可执行文件

展开来说：

• 编译好的可执行文件
• 存放在磁盘上的指令和数据的有序集合（文件）
• 静态的，没有执行的概念

1.2 进程

程序一次执行过程，是动态的，包括创建、调度、执行以及消亡，它是一个独立的可调度的任务
展开来说：

• 进程是程序的一次执行过程。
• 进程是动态的，包含创建、调度、执行、消亡。
• 进程是执行一个程序分配资源的总称。
• 独立的可调度的任务

二、特点⭐⭐⭐

1. 系统会为每一个进程分配0-4g的虚拟空间，其中0-3g(用户空间)是每个进程所独有的，3g-4g(内核空间)是所有进程共有的。
2. CPU调度进程时会给进程分配时间片（几毫秒 ~ 十几毫秒），当时间片用完后，cpu再进行其他进程的调度，实现进程的轮转，从而实现多任务的操作。

三、进程段

Linux中的进程包含三个段：

1. “数据段”存放的是全局变量、常数以及动态数据分配的数据空间(如malloc函数取得的空间)等。
2. “正文段”存放的是程序中的代码
3. “堆栈段”存放的是函数的返回地址、函数的参数以及程序中的局部变量

四、进程分类

1. 交互进程：该类进程是由shell控制和运行的。交互进程既可以在前台运行，也可以在后台运行。该类进程经常与用户进行交互，需要等待用户的输入，当接收到用户的输入后，该类进程会立刻响应，典型的交互式进程有：shell命令进程、文本编辑器等
2. 批处理进程：该类进程不属于某个终端，它被提交到一个队列中以便顺序执行。
3. 守护进程：该类进程在后台运行。它一般在Linux启动时开始执行，系统关闭时才结束。

五、进程状态

1. 运行态（TASK_RUNNING）R：指正在被CPU运行或者就绪的状态。这样的进程被成为runnning进程。
2. 睡眠态(等待态)：

• 可中断睡眠态（TASK_INTERRUPTIBLE）S：处于等待状态中的进程，一旦被该进程等待的资源被释放，那么该进程就会进入运行状态。
• 不可中断睡眠态（TASK_UNINTERRUPTIBLE）D：该状态的进程只能用wake_up()函数唤醒。

3. 暂停态（TASK_STOPPED）T：当进程收到信号SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU时就会进入暂停状态。可向其发送SIGCONT信号让进程转换到可运行状态。
4. 死亡态X：进程结束
5. 僵尸态（TASK_ZOMBIE）Z：当进程已经终止运行，但还占用系统资源，要避免僵尸态的产生（例如：在父子进程中，子进程比父进程先结束，而父进程没有对子进程及时回收，释放子进程占用的资源，此时子进程将变成一个僵尸进程）。

六、进程状态转换图

进程创建后，进程进入就绪态，当CPU调度到此进程时进入运行态，当时间片用完时，此进程会进入就绪态，如果此进程正在执行一些IO操作(阻塞操作)会进入阻塞态，完成IO操作（阻塞结束）后又可进入就绪态，等待CPU的调度，当进程运行结束即进入结束态。

七、函数接口

1. 创建子进程

pid_t fork(void);

• 功能：创建子进程

• 参数：无

• 返回值

  • 成功：在父进程中：返回子进程的进程号 >0；在子进程中：返回值为0
  • 失败：-1并设置errno

• 特点⭐⭐⭐

  1. 子进程几乎拷贝了父进程的全部内容，包括：代码、数据、系统数据段中的pc值、栈中的数据、父进程中打开的文件等；但它们的PID、PPID是不同的。
  2. 父子进程有独立的地址空间，互不影响；当在相应的进程中改变全局变量、静态变量，都互不影响。
  3. 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。
  4. 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（要避免僵尸进程产生）

• 拓展：

  1. fork之前的代码被复制，但是不会重新执行一遍；fork之后的代码被复制，并且再被执行一遍。
  2. fork之后两个进程相互独立，子进程拷贝了父进程的所有代码，但内存空间独立
  3. fork之前打开文件，fork之后拿到的是同一个文件描述符，操作的是同一个文件指针。（而不同的进程打开相同的文件，操作的是不同的文件指针）
  4. fork函数创建父子进程后各自执行顺序不一定（vfork：先执行完子进程，再执行父进程）

• 例子：

#include 
#include 
// 若父进程先结束，子进程将变成孤儿进程 且被init进程收养，变成孤儿进程
// 若子进程先结束，父进程如果没与及时回收，子进程将变成僵尸进程
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int a =0;
    pid_t pid = fork();
    if(pid<0){
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if(pid == 0){ // 运行子进程
        printf("child a:%d\n",a);
        while(1);
    }
    else{  // 运行父进程
        a=3;
        printf("parent a:%d\n",a);
        //while(1);
    }
    return 0;
}

2. 回收进程资源

• wait：pid_t wait(int *status);
  • 功能：回收子进程资源(阻塞)
  • 参数
    • status：子进程退出状态，不接受子进程状态设为NULL
  • 返回值
    • 成功：回收的子进程的进程号
    • 失败：-1
• waitpid：pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
  • 功能：回收子进程资源
  • 参数：
    • pid：
      
    • status：子进程退出状态
    • options：
      • 0：阻塞
      • WNOHANG：非阻塞
  • 返回值
    • 正常：结束的子进程的进程号
    • 当使用选项WNOHANG且没有子进程结束时：0
    • 出错：-1
• 例

#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int a = 0;
    pid_t pid = fork();
    if(pid<0){
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if(pid == 0){
        printf("in child a=%d\n",a);
        // while(1);
        sleep(1);
    }
    else{
        a = 3;
        // wait(NULL); //阻塞回收所有子进程
        // waitpid(-1,NULL,0); //阻塞回收所有子进程
        waitpid(pid,NULL,0); // 阻塞回收pid进程
        // waitpid(pid,NULL,WNOHANG); //不阻塞回收进程号为pid的进程
        printf("in parent a = %d\n",a);
        // while(1);
        wait(NULL);
        printf("parent end...\n");
    }
    return 0;
}

3. 退出进程

• exit ：void exit(int status);
  • 功能：结束进程，刷新缓存
  • 参数：退出的状态
• _exit：void _exit(int status);
  • 功能：结束进程，不刷新缓存
  • 参数：status是一个整型的参数，可以利用这个参数传递进程结束时的状态。
    通常0表示正常结束；其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束

注：exit与return的区别⭐⭐

• exit：函数，不管在子函数还是主函数，都可以结束进程（进程的退出）
• return：关键字，当子函数中有return时返回到函数调用位置，并不结束进程（函数的退出）
  例子：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void fun(int a, int b)
{
    printf("a+b=%d",a+b);
    // exit(0); // 结束进程，刷新缓存
    _exit(0); // 结束进程，不刷新缓存
    return;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid<0){
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if(pid == 0){
        printf("in child\n");
        fun(3,4);
        sleep(1);
    }
    else{
        printf("in parent\n");
        // while(1);
        wait(NULL);
        printf("parent end...\n");
    }
    return 0;
}

运行结果：
exit：会刷新缓存

_exit：不会刷新缓存

4. 获取进程号

• getpid：pid_t getpid(void);
  • 功能：获取当前进程的进程号
• getppid：pid_t getppid(void);
  • 功能：获取当前进程的父进程号
    例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid<0)
    {
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if(pid == 0)
    {
        printf("childpid:%d ppid:%d pid:%d\n",getpid(),getppid(),pid);
        exit(0);
    }
    else
    {
        printf("parentpid:%d ppid:%d pid:%d\n",getpid(),getppid(),pid);
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

运行：

练习：通过父子进程完成对文件的拷贝(cp)，父进程从文件开始到文件的一半开始拷贝，子进程从文件的一半到文件末尾。要求：文件IO cp src dest

• 方法一
  这里先执行子进程来进行源文件后半部分的复制，然后执行父进程来进行源文件前半部分的复制
  
  方法二：
  这里先执行父进程来进行源文件前半部分的复制，后执行子进程来进行源文件后半部分的复制

//通过父子进程完成对文件的拷贝(cp)，父进程从文件开始到文件
//的一半开始拷贝，子进程从文件的一半到文件末尾。要求：文件IO cp src dest
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        printf("Please input:%s  \n", argv[0]);
        return -1;
    }
    int src = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (src < 0)
    {
        perror("srcfile open err");
        return -1;
    }
    int dest = open(argv[2], O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT, 0666);
    if (dest < 0)
    {
        perror("destfile open err");
        return -1;
    }
    off_t half = lseek(src, 0, SEEK_END) / 2; // 文件长度的一半
    int flag = 0;                             // 控制下面父子进程执行顺序，让父进程先执行
    ssize_t s;
    char buf[32] = {0};

    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if (pid == 0) // 子进程 复制源文件后半部分
    {
        while (flag == 1) // 父进程已复制完毕，子进程可以执行
        {
            lseek(src, half, SEEK_SET);
            lseek(dest, half, SEEK_SET);
            while ((s = read(src, buf, 32)) != 0)
                write(dest, buf, s);
        }
    }
    else // 父进程 复制源文件前半部分（先执行）
    {
        lseek(src, 0, SEEK_SET);
        lseek(dest, 0, SEEK_SET);
        int n = half;
        if (n < 32)
        {
            read(src, buf, n);
            write(dest, buf, n);
            flag = 1;
            wait(NULL);
        }
        else
        {
            while ((s = read(src, buf, 32)) != 0)
            {
                write(dest, buf, s);
                n = n - s;
                if (n < 32)
                {
                    read(src, buf, n);
                    write(dest, buf, n);
                    flag = 1;
                    wait(NULL);
                }
            }
        }
    }
    close(src);
    close(dest);
    return 0;
}

//通过父子进程完成对文件的拷贝(cp)，父进程从文件开始到文件
//的一半开始拷贝，子进程从文件的一半到文件末尾。要求：文件IO cp src dest
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        printf("Please input:%s  \n", argv[0]);
        return -1;
    }
    int src = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (src < 0)
    {
        perror("srcfile open err");
        return -1;
    }
    int dest = open(argv[2], O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT, 0666);
    if (dest < 0)
    {
        perror("destfile open err");
        return -1;
    }
    off_t half = lseek(src, 0, SEEK_END) / 2; // 文件长度的一半
    int flag = 0;                             // 控制下面父子进程执行顺序，让父进程先执行
    ssize_t s;
    char buf[32] = {0};

    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if (pid == 0) // 子进程 复制源文件后半部分
    {
        while (flag == 1) // 父进程已复制完毕，子进程可以执行
        {
            lseek(src, half, SEEK_SET);
            lseek(dest, half, SEEK_SET);
            while ((s = read(src, buf, 32)) != 0)
                write(dest, buf, s);
        }
    }
    else // 父进程 复制源文件前半部分（先执行）
    {
        lseek(src, 0, SEEK_SET);
        lseek(dest, 0, SEEK_SET);
        int n = half;
        if (n < 32)
        {
            read(src, buf, n);
            write(dest, buf, n);
            flag = 1;
            wait(NULL);
        }
        else
        {
            while ((s = read(src, buf, 32)) != 0)
            {
                write(dest, buf, s);
                n = n - s;
                if (n < 32)
                {
                    read(src, buf, n);
                    write(dest, buf, n);
                    flag = 1;
                    wait(NULL);
                }
            }
        }
    }
    close(src);
    close(dest);
    return 0;
}

八、守护进程

1. 特点
   守护进程是后台进程；生命周期比较长，从系统启动时开启，系统关闭时结束；它是脱离控制终端且周期执行的进程。
2. 实现步骤
   1. 创建子进程，父进程退出
      让子进程成为孤儿进程，成为后台进程。fork
   2. 在子进程中创建新会话
      让子进程成为会话组组长，为了让子进程脱离控制终端。setsid()
   3. 改变运行路径为根目录。chdir
      原因：提高权限，让运行路径不能被删除或卸载。chdir
   4. 重设权限掩码。umask
      目的：增大进程创建文件的权限，提高灵活性。umask
   5. 关闭不必要的文件描述符
      目的：关闭不必要的文件描述符。close

• 练习：创建一个守护进程，循环间隔1s向文件中写入一串字符“hello”

/*创建守护进程实现往日志文件中循环写入hello,间隔时间为1秒*/
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.创建父子进程
    pid_t pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if(pid == 0) //子进程进入
    {
        setsid(); //2.在子进程中创建新会话，让子进程成为会话组组长
        chdir("/"); //3.改变运行目录为根目录
        umask(0); //4.重设文件掩码
        close(0);//5.关闭文件描述符->0 1 2
        close(1);
        
        int fd = open("/tmp/c.log",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
        if(fd < 0)
        {
            perror("open err");
            return -1;
        }
    }
    else
    {
        exit(0);  //1.父进程退出
    }
    return 0;
}