UNIX环境高级编程 - - -进程1

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文章目录

前言

本文为笔者学习笔记，若有不妥之处，欢迎斧正。

一、进程相关概念

进程的定义：“进程”是操作系统的最基本、最重要的概念之一。但迄今为止对这一概念还没有一个确切的统一的描述。下面给出几种对进程的定义描述。进程是程序的一次执行。进程是可以并行执行的计算。进程是一个程序与其使用的数据在处理机上顺序执行时发生的活动。进程是程序在一个数据集合上的运行过程。它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程的特征：动态性：是程序的一次执行；并发性：进程是可以并发执行；独立性：是系统进行资源分配和调度的一个独立单位；异步性：进程间的相互制约，使进程执行具有间隙；结构性：进程是具有结构的。

  • 什么是程序？什么是进程？两者有什么区别呢？

程序：是一组计算机能识别和执行的指令，运行于电子计算机上，满足人们某种需求的信息化工具。

进程：计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

区别：

  1. 程序会一直存储在磁盘中，进程是暂时的，是程序在内存中执行的过程，可以创建和撤销。
  2. 程序是静态的，而进程是动态的
  3. 进程具有并发性，而程序没有
  4. 进程是竞争计算机资源的最小单位，而程序不是
  5. 进程和程序不是一一对应的关系，一个程序可以有多个进程
  • 什么是进程标识符？

进程标识符：每个进程都有一个非负整型表示的唯一进程ID。

注意：虽然唯一，但是进程ID是可复用的。

可与使用getpid()获取自身的进程标识符，getppid()获取父进程的标识符。

  • 什么是父进程？什么是子进程？

当进程A创建了进程B，那么A就是父进程，B就是子进程。

  • C程序存储空间分配？

正文段：由CPU执行的机器指令部分。通常正文段是可共享的，所以即使是频繁执行的程序，在存储器中也只有一个副本，另外正文段常常是只读权限，以防止程序由于意外而修改其自身的指令。

初始化数据段：通常将称为数据段，包含了程序中明确赋予了初值的变量（使变量带有初始值，并存储在数据段中）。

非初始化数据段：通常称为bss段，名称来源是早期的汇编运算符（block started symbol），在程序开始执行之前，内核将此段中的数据初始化为0或者空指针。

堆：通常在队中进行动态存储分配 。

栈：自动变量以及每次函数调用时所需要的保存的信息都存放在此段中。

二、进程相关API详解

1、fork函数

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

函数作用：一个现有的进程可以调用fork函数创建一个新进程（子进程）。

参数说明：无参。

返回值：
成功：返回两次。一次是子进程返回0，父进程返回子进程的ID。
失败：返回-1。

说明：fork（）函数创建进程相当于把父进程做了一个写时复制，并且给了子进程去执行。

进程的数据使用是指针，不是真实物理内存地址，
父进程fork一个子进程后，父进程和子进程的指针指向的是相同的内存地址，
这样子进程就获得了父进程的全部数据，
父进程和子进程是隔离的，父子进程遵循写时复制原则，对修改数据相互没有影响。

fork 有以下两种用法：

  1. 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。应用场景：网络服务进程中——父进程等待客户端的服务请求。当请求到达时，调用fork使子进程处理请求，父进程继续等待下一个服务请求。
  2. 一个进程要执行一个不同的程序。这是shell是常见的情况，在这种情况下，子进程从fork返回后立即调用exec族函数。

注意事项：fork函数创建的父子进程，执行顺序是不确定的，两者相互争夺CPU资源

2、vfork函数

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t vfork(void);

函数作用：一个现有的进程可以调用fork函数创建一个新进程（子进程）。

参数说明：无参。

返回值：
成功：返回两次。一次是子进程返回0，父进程返回子进程的ID。
失败：返回-1。

vfork函数和fork函数的区别：

  1. vork直接使用父进程的存储空间，不拷贝。
  2. vork函数保证子进程先运行，并且当子进程代用exit函数退出后，父进程才开始运行。
  3. vfork （）保证子进程先运行，在她调用exec 或exit 之后父进程才可能被调度运行。如果在 调用这两个函数之前子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁。

3、进程退出函数

函数原型：

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

void exit(int status);

void _exit(int status);

void _Exit(int status);

函数作用：进程退出。

参数说明：子进程状态（目的是为了通知父进程）

返回值：无。

进程正常退出：

  1. return
  2. exit()，属于标准C库
  3. _exit()，_Exit()，属于系统调用
  4. 进程的最后一个线程在其启动例程中执行return。
  5. 进程的最后一个线程调用pthread_exit 函数。

进程异常退出：

  1. 调用abort()
  2. Linux中强制终止进程（ctrl + c）
  3. 线程对取消请求作出响应

4、进程等待函数

4.1wait函数

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *wstatus);

函数作用：父进程等待子进程退出，并收集子进程的退出状态。

参数说明：

  1. wstatus是一个整型指针，用来存放子进程退出时的状态，此时非空。若不关心退出状态，此时为空。

返回值分三种情况：

  • -1： 调用函数出错
  • 0： 若waitpid的options设置了WNOHANG，且调用中没有子进程退出，立即返回0
  • 大于0：返回退出进程的ID

4.2waitpid函数

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

函数作用：父进程等待子进程退出，并收集子进程的退出状态。

参数说明：

  1. 等待进程的ID（监听进程的ID）
  2. wstatus是一个整型指针，用来存放子进程退出时的状态，此时非空。若不关心退出状态，此时为空。
  3. 提供一些额外的选项控制waitpid,目前linux中只支持WNOHANG和WUNTRACED两个选项，这是两个常数宏，可以使用 | 连接使用。

参数作用解释：

  • 参数pid>0时，只等待进程ID等于pid的子进程，只要指定的子进程没有结束，waitpid就会一直等待
  • 参数pid=0时，等待同一个进程组中的任一子进程，如果子进程已经加入别的进程组，waitpid不会对其进行处理
  • 参数pid=-1时，等待任何一个子进程退出，与wait作用一样
  • 参数pid<-1时，等待一个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

返回值分三种情况：

  • -1： 调用函数出错
  • 0： 若waitpid的options设置了WNOHANG，且调用中没有子进程退出，立即返回0
  • 大于0：返回退出进程的ID

4.3wait和waitpid的联系

wait实质上是waitpid中pid=-1,options=0时封装，即wait(&status)与waitpid(-1, &status, 0)完全相同。

三、僵死进程和孤儿进程

1、僵死进程

定义：如果子进程退出的状态没有被父进程所收集，那么子进程就变成了僵死进程（僵尸进程）。

子进程退出返回的状态需要使用特殊的宏定义来解析。

详细例程和宏定义的使用，见后面的代码演示。

避免出现僵死进程：

  • 父进程调用 wait 或 waitpid 来收集资源
  • 用 kill 指令杀死父进程 语法：kill -9 pid
  • 通过信号机制，在处理函数中调用wait，回收资源

2、孤儿进程

定义：当调用fork和vfork后，就有父进程和子进程，如果两个进程都在运行，但是父进程比子进程先结束，导致只有子进程在运行时，此时的子进程就是孤儿进程。（简单来说就是父进程死了，子进程就成了孤儿进程）

注意事项：只有在父进程结束后，子进程才会变成孤儿进程

Linux系统中，为了避免出现过多的孤儿进程，init进程会收留孤儿进程，编程孤儿进程的父进程。（可以理解为继父）

被init进程收养后，会有操作系统来处理孤儿进程。

四、代码演示

  • 获取进程pid
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;

        pid = getpid();

        printf("pid=%d\n",pid);

        getchar();
        return 0;
}
  • 验证fork函数
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;

        pid = getpid();

        fork();   //调用后，下面的代码段都会被父子进程执行

        while(1)
        {
    
    
                if(pid == getpid())
                {
    
    
                        printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
                }
                else
                {
    
    
                        printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                }
                sleep(2);
        }
        return 0;
}

运行结果：

this is father pid,pid=3745				//不仅验证了fork，也验证了父进程和子进程的执行顺序不确定
this is son pid,pid=3746				//两个进程会争夺CPU资源
this is son pid,pid=3746
this is father pid,pid=3745
this is father pid,pid=3745
this is son pid,pid=3746
this is son pid,pid=3746
this is father pid,pid=3745
this is son pid,pid=3746
  • 验证 fork函数 的返回值
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;

        pid = fork();

        while(1)
        {
    
    
                if(pid > 0)
                {
    
    
                        printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
                }
                else
                {
    
    
                        printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                }
                sleep(2);

        }
        return 0;
}

运行结果：

this is father pid,pid=3775
this is son pid,pid=3776
this is father pid,pid=3775
this is son pid,pid=3776
this is father pid,pid=3775
this is son pid,pid=3776
  • 验证fork的写实复制
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>


int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;
        int data = 10;

        pid = fork();
        printf("pid=%d\n",pid);
        if(pid > 0)
        {
    
    
                printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
        }
        else if(pid == 0)
        {
    
    
                printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                data+=100;
        }
        printf("data:%d\n",data);

        return 0;
}

运行结果如下：

pid=3906
this is father pid,pid=3905
data:10
pid=0
this is son pid,pid=3906
data:110
  • fork 的应用模板
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>


int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;

        pid = fork();

        if(pid > 0) 						//父进程执行的代码段
        {
    
    
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
                        sleep(1);
                }
        }
        else if(pid == 0)				  //子进程执行的代码段
        {
    
    
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                        sleep(1);
                }
        }

        return 0;
}
  • 验证 fork 和 vfork 的区别
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;
        int *data=(int *)malloc(sizeof(int));


        *data = 0;

        pid = vfork();
        if(pid > 0)
        {
    
    
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
                        printf("data:%d\n",*data);
                        sleep(1);
                }
        }
        else if(pid == 0)
        {
    
    
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                        (*data)++;
                        if(*data == 5)
                        {
    
    
                                exit(0);
                        }
                        sleep(1);
                }
        }

        return 0;
}

运行结果如下：

this is son pid,pid=3955
this is son pid,pid=3955
this is son pid,pid=3955
this is son pid,pid=3955
this is son pid,pid=3955
this is father pid,pid=3954
data:5
this is father pid,pid=3954
data:5
this is father pid,pid=3954
data:5
  • wait等待子线程退出
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;
        int data=-1;

        pid = fork();

        if(pid > 0)
        {
    
    
                wait(NULL);
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
                        printf("data:%d\n",data);
                        sleep(1);
                }
        }
        else if(pid == 0)
        {
    
    
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                        data++;
                        if(data == 5)
                        {
    
    
                                exit(3);
                        }
                        sleep(1);
                }
        }

        return 0;
}

运行结果如下：

this is son pid,pid=4269
this is son pid,pid=4269
this is son pid,pid=4269
this is son pid,pid=4269
this is son pid,pid=4269
this is son pid,pid=4269
this is father pid,pid=4268
data:-1
this is father pid,pid=4268
data:-1
  • wait等待线程退出，并收集子线程的退出状态
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>


int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;
        int data=-1;

        pid = fork();

        if(pid > 0)
        {
    
    
                wait(&data);
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
                        printf("data:%d\n",WEXITSTATUS(data));
                        sleep(1);
                }
        }
        else if(pid == 0)
        {
    
    
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                        data++;
                        if(data == 5)
                        {
    
    
                                exit(3);
                        }
                        sleep(1);
                }
        }

        return 0;
}

运行结果如下：

this is son pid,pid=4303
this is son pid,pid=4303
this is son pid,pid=4303
this is son pid,pid=4303
this is son pid,pid=4303
this is son pid,pid=4303
this is father pid,pid=4302
data:3
this is father pid,pid=4302
data:3
this is father pid,pid=4302
data:3
  • waitpid的使用
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>


int main(void)
{
    
    
        pid_t pid;
        int data=-1;

        pid = fork();

        if(pid > 0)
        {
    
    
                waitpid(pid,&data,WNOHANG);
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is father pid,pid=%d\n",getpid());
                        printf("data:%d\n",WEXITSTATUS(data));
                        sleep(1);
                }
        }
        else if(pid == 0)
        {
    
    
                while(1)
                {
    
    
                        printf("this is son pid,pid=%d\n",getpid());
                        data++;
                        if(data == 5)
                        {
    
    
                                exit(3);
                        }
                        sleep(1);
                }
        }

        return 0;
}

运行结果如下：

this is father pid,pid=4319
data:255
this is son pid,pid=4320
this is father pid,pid=4319
this is son pid,pid=4320
data:255
this is son pid,pid=4320
this is father pid,pid=4319
data:255
this is father pid,pid=4319
this is son pid,pid=4320
data:255
this is son pid,pid=4320
this is father pid,pid=4319
data:255
this is son pid,pid=4320
this is father pid,pid=4319
data:255
this is father pid,pid=4319
data:255

后期会补充一些相关的案例和文中没有涉及到的知识。

参考资料：
《UNIX环境高级编程》 第三版

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Origin blog.csdn.net/weixin_51363326/article/details/116754660
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