Linux程序设计—多进程编程
文章目录
- 1、进程
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- 1.1、创建进程
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- 1.1.1、fork()
- 1.1.2、vfork()
- 1.2、执行进程——exec函数族
- 1.3、进程退出
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- 1.3.1、exit()和_exit()
- 1.4、进程回收
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- 1.4.1、僵尸进程
- 1.4.2、wait()
- 1.4.3、waitpid()
- 2、写在最后
1、进程
进程的定义：
进程是程序处于一个执行环境中在一个数据集上的一次运行过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。每个进程都有自己独立的系统资源，一个进程中可以有多个线程，系统是系统资源分配的基本单位。
1.1、创建进程
整个Linux操作系统都是由父子进程结构组成，每个进程都有创建者，也就是父进程，但是有一个进程例外，也就是init进程，其为系统启动初始化后执行的第一个进程。
1.1.1、fork()
函数原型：
#include 主要作用： 创建一个子进程，这也就代表着，父进程可通过调用该函数创建一个子进程，父子进程各自独立，拥有自己的PCB，内存用户区，临时资源等，各自独立参与CPU调度
返回值：pid_t类型的变量，一共有两个返回值（父进程返回一个，子进程返回一个）
细节探究：
fork函数执行的流程：（1）调用_CREATE函数，也就是进程创建部分，子进程进行虚拟地址申请，在子进程的内核空间进行不完全拷贝（2）调用_CLONE函数，向父进程拷贝必要资源，子进程的用户空间进行完全拷贝，子进程继承所有父进程资源，如临时堆栈拷贝，代码完全拷贝（3）子进程执行fork函数剩余部分，执行最后这个语句，fork函数就会有二次返回，如果成功返回0，不成功返回1。不成功的主要原因有：
a.系统内存不够 b.进程表满（容量一般为200~400）c.用户的子进程太多（一般不超过25个）
所以fork函数的返回值情况如下：
父进程调用fork()，返回子进程pid(>0)
子进程调用fork()，子进程返回0，调用失败的话就返回-1
这也就说明了fork函数的返回值是2个
fork的应用场景：一个父进程希望复制自己，使父进程和子进程执行不同的代码段。在网络编程中常用到fork函数，例如：父进程等待客户端的服务请求，当请求到达时，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。示例程序如下所示（仅展示关键代码）：
void test_fork()
{
pid_t pid;
int data;
while(1){
printf("please input command number:");
scanf("%d", &data);
if(1 == data){
pid = fork();
if(pid > 0){
}else if(0 == pid){
while(1){
printf("do net require, pid = %d\n", getpid()); //模拟子进程处理请求
sleep(3);
}
}else{
perror("create process failed\n"); //创建进程失败
exit(-1);
}
}
else{
printf("isn't an excepted number\n");
}
}
}
执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
父进程执行时一直在等待用户输入数据，当用户输入1时，创建子进程（pid为1785），并建立网络链接，父进程则继续等待用户输入下一个数据，并根据输入的具体值完成指定的操作。
总结：父子进程都执行fork函数，但执行不同的代码段，获取不同的返回值。创建出来的子进程在继承了所有的父进程资源后会从代码的fork()处继续向下执行，该特性可被如下的程序段所验证：
#include 执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
不难看出，父进程执行的代码段打印了"aaaaaa"和"bbbbbb"这两串字符串，而子进程仅打印了"bbbbbb"这一串字符串，即可验证上文所述。
1.1.2、vfork()
函数原型：
#include 主要作用： 创建一个子进程，作用与
fork函数一致
细节探究：
vfork函数的调用序列和返回值与fork相同，但二者的语义不同
（1）vfork直接使用父进程存储空间，不拷贝（可将存储空间理解为联合体，每个成员均为vfork函数创建的子进程，所有子进程共用同一段内存）
（2）vfork保证子进程先运行，在子进程调用exit或exec函数族之后父进程才会被调度执行，如果在子进程退出之前子进程依赖父进程的进一步动作，则会导致死锁。下文程序段可验证vfork函数的这一特性（仅展示关键代码）：
void test_vfork()
{
pid_t pid;
int cnt = 0;
pid = vfork();
if(pid > 0){
while(1){
printf("i am a parent process\n");
sleep(1);
}
}else if(0 == pid){
while(1){
printf("i am a child process\n");
cnt++;
sleep(1); //在子进程占用一段运行时间后，主动结束子进程
if(3 == cnt){
cnt = 0;
exit(0);
}
}
}else{
perror("create process failed\n");
exit(-1);
}
}
执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
父进程调用vfork函数创建子进程，先运行子进程，在合适的条件下子进程退出后父进程得以执行。
1.2、执行进程——exec函数族
函数原型： Linux下的exec函数族是6个以exec开头的函数，具体如下：
#include 主要作用： 通过
fork()或者vfork()函数创建子进程后，子进程几乎复制了父进程的全部内容，如果我们想要父子进程执行的内容不同，可以通过exec函数族实现。exec函数族提供了一个在进程中执行另一个程序的方法，它可以根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代当前进程的数据段，代码段和堆栈段。在执行完后，当前进程除了进程号外，其它内容都被替换。
细节探究：
日常开发中，exec函数族最常被用到的函数是：
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
execl的示例程序如下所示（仅展示关键代码）：
func.c
void test_exec()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid > 0){
printf("i am a parent process\n");
}else if(0 == pid){
printf("i am a child process\n");
if(execl("/home/pi/project/process_1/subprocedure", "subprocedure", NULL) < 0){
perror("execl failed\n");
exit(1); //exec调用失败，主动结束子进程
}
}else{
perror("create process failed\n");
exit(-1);
}
printf("end mark point\n");
}
subproc.c
#include 执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
可以发现，父进程剩下的部分，子进程并没有执行。子进程在调用exec函数族后，就只执行subproc.c编译出来的可执行文件subprocedure。通过exec函数族实现了父子进程执行不同的内容。
特别注意：
（1）确保形参格式正确：如果exec函数族的第一个形参为path，则必须以“/”开头，否则将视其为文件名；path需要为完整的文件目录路径，即被执行的文件也需要被包含在path中。如果第一个形参为file则会自动在path中搜索
（2）要判断exec是否执行成功，如果执行失败应结束该子进程。一种执行失败的情况如下所示：
这种情况是path路径的末尾未包含可执行文件所导致，exec执行失败，结束子进程。
1.3、进程退出
进程常见的退出方法主要有以下三种：
（1）main函数中调用return实现进程退出，main函数对应的进程的状态信息将会自动被系统中的特定进程所回收
（2）ctrl+c中断正在运行的进程（信号机制）
（3）任何进程调用exit()或_exit()实现进程退出
1.3.1、exit()和_exit()
函数原型：
#include 主要作用： 两个函数功能和用法是一样的，都能结束调用此函数的进程
参数：status为进程退出时的一个状态信息，ANSIC标准要求使用值0或宏EXIT_SUCCESS指示程序正常终止，使用值1或宏EXIT_FAILURE指示程序异常终止
细节探究：
exit()和_exit()最主要的区别有以下几点：
（1）exit()属于标准库函数（标准c库中的函数），_exit()属于系统调用函数（Linux系统中的函数）。使用时，两个函数所包含的头文件不一样
（2）exit()在执行时，系统会检测进程打开文件情况，并将处于文件缓冲区的内容写入到文件当中再退出。而_exit()则直接退出，不会将缓冲区的内容写入文件
下文给出的程序段可以验证exit()和_exit()之间的区别：
测试函数test()
#include 执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
测试函数_test()
#include 执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
printf()使用缓存I/O的方式，该函数在遇到'\n时自动从缓冲区中将记录读出。而exit()也能将文件缓冲区的内容写入到文件中再退出。所以不难看出两个运行结果的差异：执行exit()代码段的第二行信息能被打印，而执行_exit()代码段的第二行信息不能被打印。如果第一行输出也没有格式化控制符\n，则_exit()也不会将其打印出来。
1.4、进程回收
1.4.1、僵尸进程
僵尸进程简介： 在Linux中，正常情况下，子进程是通过父进程创建的，子进程再创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程。即父进程永远也无法预测子进程到底什么时候结束。当一个子进程完成它的工作退出之后，它的父进程需要采用合适的手段对子进程实现资源回收，否则就会产生僵尸（Zombie）进程。
僵尸进程危害：
（1）僵尸进程会造成一定的资源浪费，占用不必要的资源。任何一个子进程（init除外）在退出的时候，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。但是仍然会保留一些信息（包括进程号，退出状态，运行时间等），称为僵尸进程的数据结构。
（2）当进程id达到了最大值的时候，因为有僵尸进程占用了部分进程id，使得无法再打开新的进程。
僵尸进程产生示例：
void test_zombie()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid > 0){
sleep(1); //延时片刻，保证子进程先运行
printf("i am a parent process\n");
while(1); //父进程保持不退出
}else if(0 == pid){
printf("i am a child process\n"); //子进程直接退出
}else{
perror("create process failed\n");
exit(-1);
}
printf("end mark point\n");
}
执行该段代码编译生成的可执行文件，并另一个终端使用指令ps -ajx查看，可得到如下结果：
进程状态为Z或Z+的进程即为僵尸进程
僵尸进程避免：
实际开发中有多种手段避免僵尸进程的出现，如子进程退出时向父进程发生SIGCHILD信号，多次fork()，将子进程变成孤儿进程等。下文着重讲解的，也是最常用的一种方法，是调用wait()/waitpid()函数，使子进程退出时被父进程回收。
1.4.2、wait()
函数原型：
#include 主要作用： 父进程调用
wait()阻塞等待子进程退出，并回收子进程的状态信息
参数：*status指向的整型对象来保存子进程结束时的状态，即exit()的形参值。此外，子进程的结束状态也可以有一些特定的宏来测定
返回值： 若成功回收子进程则返回子进程的进程号，失败则返回-1
细节探究：
使用wait()回收进程时应该注意以下几点：
（1）如果子进程没有结束，则父进程会阻塞等待，无法向前推进，直到子进程结束。如果父进程占用某个临界资源，则容易出现死锁现象
（2）wait()一次只能回收一个子进程，如果创建了多个子进程，则哪个子进程先结束就先被回收
（3）形参*status可以为NULL，表示直接释放子进程PCB，不接收返回值
wait()的示例程序如下所示（仅展示关键代码）：
void test_wait()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid > 0){
pid_t retval;
int status;
printf("parent process is waiting...\n");
retval = wait(&status); //阻塞等待子进程退出
printf("parent process wait done, retval = %d status = %d\n", retval, status); //打印已回收子进程的进程号和结束状态
}else if(0 == pid){
int cnt = 0;
while(cnt < 3){
cnt++;
printf("child process is running\n");
sleep(3);
}
exit(0); //子进程退出
}else{
perror("create process failed\n");
exit(-1);
}
}
执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
父进程创建子进程之后阻塞等待子进程的退出，当子进程退出后父进程将回收子进程的状态信息。
1.4.3、waitpid()
函数原型：
#include 主要作用： 同
wait一致，等待子进程退出并回收子进程的状态信息
参数：
pid：主要有两种情况，pid= -1表示回收任何一个子进程，pid> 0表示回收对应pid的任一子进程
status：与wait()中的参数status作用一致
option：指定回收方式，常见的为0（阻塞等待子进程结束）或WNOHANG（非阻塞等待）
返回值： 若成功回收子进程则返回子进程的进程号，失败则返回-1，返回0表示option为WNOHANG且没有子进程退出
细节探究：
waitpid()的作用和wait()一样，但它并不一定等待第一个结束的子进程。waitpid()提供了若干选项，可以实现非阻塞的进程回收功能。事实上在Linux内部实现wait()时直接调用的就是waitpid()，可以将wait()理解成waitpid()的一个特例。下文代码展示了两个函数之间的等效关系：
//retval = wait(&status);
retval = waitpid(-1, &status, 0); //阻塞等待子进程退出
用waitpid()去跑上文wait()示例程序可得到一样的结果，如下图所示：
下文给出的程序段是验证waitpid()的非阻塞回收功能（仅展示关键代码）：
void test_waitpid()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid > 0){
sleep(1); //睡眠一段时间，确保子进程先运行
pid_t retval;
int status;
printf("parent process is waiting...\n");
if((retval = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) == 0){
printf("parent process didn't wait child process exit\n"); //非阻塞等待子进程退出，回收成功
}else{
printf("parent process wait done, retval = %d status = %d\n", retval, status); //回收失败
}
while(1); //父进程不能退出，否则子进程会成为孤儿进程，由init进程完成状态收集工作
}else if(0 == pid){
int cnt = 0;
while(cnt < 4){
cnt++;
printf("child process is running\n");
sleep(2);
}
exit(0);
}else{
perror("create process failed\n");
exit(-1);
}
}
执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
可以发现，父进程未能成功回收子进程，子进程在退出后成为僵尸进程，在另一个Linux终端输入命令ps -ajx可观察到这一僵尸进程。
若想以非阻塞方式成功回收进程，可以定期执行waitpid()，直到成功回收子进程的状态信息。示例程序如下所示（仅展示关键代码）：
void test_waitpid()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid > 0){
pid_t retval;
int status;
printf("parent process is waiting...\n");
while((retval = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) == 0){
sleep(2); //非阻塞等待子进程退出，如果未退出则睡眠一段时间
}
printf("parent process wait done, retval = %d status = %d\n", retval, status);
}else if(0 == pid){
int cnt = 0;
while(cnt < 4){
cnt++;
printf("child process is running\n");
sleep(2);
}
exit(0);
}else{
perror("create process failed\n");
exit(-1);
}
}
执行该段代码编译生成的可执行文件可得到如下结果：
父进程以一定的时间间隔非阻塞等待子进程退出，当子进程退出后成功回收其状态信息。
2、写在最后
Linux程序设计是一门很深的学问，由于时间关系，还有很多我想补充的内容都未能放在这上面。即将开启一段新的旅程了，日后有时间还会不断地去完善，祝好运！