作者介绍
张伟伟，男，西安工程大学电子信息学院，2019级硕士研究生，张宏伟人工智能课题组。
微信公众号：可随时查阅，搜索—张二牛的笔记，内容会分类上传。
研究方向：机器视觉与人工智能。
电子邮件：[email protected]
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1.学习目标
了解进程相关的概念
掌握fork/getpid/getppid函数的使用
熟练掌握ps/kill命令的使用
熟练掌握execl/execlp函数的使用
说出什么是孤儿进程什么是僵尸进程
熟练掌握wait函数的使用 （父进程回收）
熟练掌握waitpid函数的使用（子进程回收）
2.进程的相关概念
2.1 程序与进程
程序：是编译好的二进制文件，在磁盘上，占用磁盘空间，是一个静态的概念
进程，一个启动的程序，进程占用的是系统资源，如：内存，CPU，终端等，是一个动态的概念
程序-》剧本（纸）
进程-》戏（舞台、灯光、道具）
同一个程序可以在多个终端执行，同一台戏可以在多场唱。
# 查看进程pid
ps -ef | grep 程序名
2.2 并发和并行
CPU会将一个大的时间段分成多个时间片，让进程轮流使用CPU的时间片（有个）
并发：在一个时间段内，是在同一个cpu上，同时运行多个程序。
- 一分钟内的一杯咖啡，每个人喝一口
如：若将CPU的1S的时间分成1000个时间片，每个进程执行完一个时间片必须无条件让出CPU的使用权，这样1S中就可以执行1000个进程。
一个时间碎片内只有一个进程在执行。
并行：在一个时刻有多个程序在执行。（前提是有多个cpu）
- 一分钟内的两杯咖啡，可以两个人在同一时刻同时喝
2.3 PCB-进程控制块
是一个大的结构体，每个进程在内核中都会有个进程控制块
/usr/src/linux-headers-4.4.0-96/include/linux/sched.h文件的1390行处可以查看struct task_struct 结构体定义。其内部成员有很多，我们重点掌握以下部分即可：
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。(操作系统调度问题)
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）。
getcwd --pwd
chdir 改变当前工作目录
umask 掩码。（计算文件权限）
==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。
id 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）。
ulimit -a
2.4 进程状态切换（面试）
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。
状态切换要到运行态，必须先到就绪态（有执行资格,但是没有获得CPU的时间片），在挂起态（没有执行资格和CPU)。
3. 创建进程
3.1 fork函数
函数作用：创建子进程
原型: pid_t fork(void);
函数参数：无
返回值：调用成功:父进程返回子进程的PID，子进程返回0；
调用失败:返回-1，设置errno值。pid_t表示一个重定义的非负整型值
● fork函数代码片段实例
3.2 fork的原理
- 1. fork函数返回值
它标识是父进程还是子进程。在父进程返回是大于0的数。（父子进程各自返回一个值，而不是返回两个值） - 2.父子进程的执行逻辑
父进程执行pid > 0 的逻辑，子进程执行pid==0的逻辑 - 3.父子进程谁先执行
谁先抢到CPU的时间片谁执行
父进程没有可以知道子进程的函数，我们创建时可以记录，子进程可以提供相应的接口。
虚拟地址空间
内核区 PCB
用户区
环境变量
命令行参数
栈
堆
动态加载区
.txt
.bss
.data
受保护的区域
1. 父进程调用fork函数创建一个子进程，子进程的用户区和父进程的用户区完全一样，但是内核区不完全一样；如父进程的PID和子进程的PID不一样（先创建的pid比较小）。
3.3 fork函数的实例
//fork函数测试
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
//创建子进程
//pid_t fork(void);
pid_t pid = fork();
if(pid<0)
{
perror("fork error!");
return -1;
}
else if(pid>0)
{
printf("father: pid == [%d]\n",getpid());
}
else if(pid == 0)
{
printf("chile: pid == [%d] its parents pid == [%d] \n",getpid(),getppid());
}
return 0;
}
3.4 父进程循环创建子进程
实例：父进程循环创建n个子进程,子进程间为兄弟关系。
以下存在子进程会创建子进程的问题，然后会复制代码继续运行，复制规则从当前的 i 值开始运行，各个进程的 i 值相互独立。。
解决方法：例如创建3个子进程，要保证父进程每次创建1个，需要在子进程中加break，而且让子进程不继续 fork 创建。
判断每次创建了几个，加if(i==1) 打印，如下代码。
//循环创建n个子进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int i = 0;
for(i=0; i<3; i++)
{
//创建子进程
pid_t pid = fork();
if(pid<0) //fork失败的情况
{
perror("fork error");
return -1;
}
else if(pid>0)//父进程
{
printf("father: pid==[%d], fpid==[%d]\n", getpid(),getppid());
//sleep(1);
}
else if(pid==0) //子进程
{
printf("child: pid==[%d], fpid==[%d]\n", getpid(), getppid());
break;
}
}
//第1个子进程
if(i==0)
{
printf("[%d]--[%d]: child\n", i, getpid());
}
//第2个子进程
if(i==1)
{
printf("[%d]--[%d]: child\n", i, getpid());
}
//第3个子进程
if(i==2)
{
printf("[%d]--[%d]: child\n", i, getpid());
}
//父进程
if(i==3)
{
printf("[%d]--[%d]: child\n", i, getpid());
}
sleep(10);
return 0;
}
4.父子进程能否共享全局变量（不能）
写时复制，读时共享。
父子进程不能共享全局变量进行通信的。
但是如果父子进程知识对全局变量做读操作，则父子进程在内存中只有一份，属于共享。
但是如果对变量修改操作，会在内存中拷贝一个副本。
sleep(1) //调整父进程和子进程的执行顺序。
%p 打印地址。虚拟的，复制过来的所以地址一样。物理内存的地址不能访问。（mmu 内存管理单元：将虚拟内存与物理内存映射，当虚拟内存一致时，他会拷贝一份）
5.ps命令和kill命令
会话-----》组----》进程
ps -ef | grep bash //查看pid
ps aux | grep "xxx"
ps ajx | grep "xxx"
-a：（all）当前系统所有用户的进程
-u：查看进程所有者及其他一些信息
-x：显示没有控制终端的进程 -- 不能与用户进行交互的进程【输入、输出】
-j: 列出与作业控制相关的信息
kill -l 查看系统有哪些信号
kill -9 pid 杀死某个线程
常用的信号：SIGKILL
SIGTEARM
SIGSTOP
如下字符的含义：
//PPID 父进程 PID 自己的ID
//PGID 组ID SID 用户身份ID
ps命令详解.（了解不用详细掌握）
6. exec函数簇（用于子进程调用，拉起可执行程序）
应用场景：
如果想在一个进程内部执行系统命令或者是应用程序，优先应该想到如下方式：先fork()，然后在子进程里面执行execl拉起可执行程序或者命令。
原理：
总结：
exec函数是用一个新程序替换了当前进程的代码段、数据段、堆和栈；原有的进程空间没有发生变化，并没有创建新的进程，进程PID没有发生变化。
6.1 exec函数详解
6.1.1 execl（拉起自己写的程序）
int execl(const char *path, const char *arg, ... /* (char *) NULL */);
参数介绍：
path: 要执行的程序的绝对路径
变参arg: 要执行的程序的需要的参数
arg:占位，通常写应用程序的名字
arg后面的: 命令的参数
参数写完之后: NULL
返回值：若是成功，则不返回，不会再执行exec函数后面的代码；若是失败，会执行execl后面的代码，可以用perror打印错误原因。
execl函数一般执行自己写的程序。
6.1.2 execlp(PATH环境变量中的程序)
尽量起名相同，知道执行程序，exect应用程序的名字和路径最后的名字相同。
which ls 查看命令参数
函数原型: int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char *) NULL */);
参数介绍：
file: 执行命令的名字, 根据PATH环境变量来搜索该命令
arg:占位
arg后面的: 命令的参数
参数写完之后: NULL
返回值：若是成功，则不返回，不会再执行exec函数后面的代码；若是失败，会执行exec后面的代码，可以用perror打印错误原因。
execlp函数一般是执行系统自带的程序或者是命令.
6.2 exec函数练习
（1）直接拉起系统指令，当然也可以直接使用execlp调用系统指令。
（2）自己写一个带命令行参数的代码，供其调用：
接着，拉起自己写的程序：
6.2 进程资源回收（为什么要进行进程资源回收）
当一个进程退出之后，进程能够回收自己的用户区的资源，但是不能回收内核空间的PCB资源，必须由它的父进程调用wait或者waitpid函数完成对子进程的回收，避免造成系统资源的浪费。
6.3孤儿进程（父进程死了，子进程还活着）
若子进程的父进程已经死掉，而子进程还存活着，这个进程就成了孤儿进程。
为了保证每个进程都有一个父进程，孤儿进程会被init进程（1号进程）领养，init进程成为了孤儿进程的养父进程，当孤儿进程退出之后，由init进程完成对孤儿进程的回收。
6.4僵尸进程（子进程死掉了，父进程还活着，但是父进程没有完成回收）
解决：不接收信号—杀死其父进程–让init进程领养僵尸进程，由init进程回收僵尸进程。
僵尸进程的概念:
若子进程死了，父进程还活着， 但是父进程没有调用wait或waitpid函数完成对子进程的回收，则该子进程就成了僵尸进程。
6.4.1 如何解决僵尸进程
wait函数
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
wait函数（注意，只在父进程中使用，阻塞等待，等子进程运行完后回收）
函数原型：我们定义一个status整型变量 int status，然后指针传入。
pid_t wait(int *status);
函数作用：
阻塞并等待子进程退出
回收子进程残留资源
获取子进程结束状态(退出原因)。
返回值：
成功：清理掉的子进程ID；
失败：-1 (没有子进程)
status参数：子进程的退出状态 -- 传出参数
WIFEXITED(status)：为非0 → 进程正常结束
WEXITSTATUS(status)：获取进程退出状态 子进程return的参数例如return 9
WIFSIGNALED(status)：为非0 → 进程异常终止
WTERMSIG(status)：取得进程终止的信号编号。
waitpid函数
函数原型：
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, in options);
函数作用
同wait函数
函数参数
参数：
pid：
pid = -1 等待任一子进程。与wait等效。
pid > 0 等待其进程ID与pid相等的子进程。
pid = 0 等待进程组ID与目前进程相同的任何子进程，也就是说任何和调用
waitpid()函数的进程在同一个进程组的进程。
pid < -1 等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程。(适用于子进程在其他组的情况)
status: 子进程的退出状态，用法同wait函数。
options：设置为WNOHANG，函数非阻塞，设置为0，函数阻塞。
函数返回值
>0：返回回收掉的子进程ID；
-1：无子进程
=0：设置为0则为阻塞 ，设置为WNOHANG，设置为非阻塞，且子进程正在运行。
写入循环，保证父进程晚于子进程退出，避免僵尸进程。就是父进程还活着，或者运行过了回收的指令，子进程的状态根据wpid判断比较合理。
调用一次waitpid或者wait函数每次只能回收一个子进程。
后续也可以使用信号对进程进行回收。