进程基础知识

程序员文章站 2022-05-22 19:21:42

...

一. 进程和程序

程序：死的。只占用磁盘空间。
进程：活的。运行起来的程序。占用内存、cpu等系统资源。
并发和并行：**并行是宏观上，**指两个或多个事件在同一个时间段内的概念。 **并发是微观上串行，**不是一个时间点，而是一个时间段内的概念

二. PCB控制块

每个进程在内核中都有一个进程控制块（pcb）来维护进程的相关信息。

PCB进程控制块：
	进程id
	文件描述符表
	进程状态：	初始态、就绪态、运行态、挂起态、终止态。
	进程工作目录位置
	*umask掩码 （进程的概念）
	信号相关信息资源。
	用户id和组id
ps aux 返回结果里，第二列是进程id

进程的基本状态有5种：初始态（进程的准备阶段）、就绪态、运行态、挂起态、终止态。
进程基础知识

三. 进程的函数操作

1. fork函数：父进程调用fork函数创建子进程

父子进程相同处：data段、text段、堆、栈、环境变量、全局变量、宿主目录位置、进程工作目录位置、信号处理方式
不同处：进程id、返回值、各自的父进程、进程创建时间、闹钟、未决信号集
全局变量：读时共享，写时复制

pid_t fork(void)
参数：void
返回值：fork函数返回父子进程标志：
	   子进程：返回值为0
	   父进程：返回值大于0
获取父子进程的两个函数：
pid_t getpid()		获取当前进程id
pid_t getppid()		获取当前进程的父进程id
两个函数的返回值都是进程id（%d）

父子进程的注意事项：子进程创建成功后，父进程执行到哪，子进程就从哪执行；父子进程的执行顺序不一定，谁抢到cpu谁执行。
示例：循环创建多个子进程：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
 
int counter = 100;
 
int main(int argc, const char* argv[])
{
    pid_t pid;
    int i=0;
    for(i=0; i<3; i++)
    {
        pid = fork();
        //重点：如果不将子进程退出循环体，我们知道子进程会从这段代码后开始运行，也会循环产生多个自己的子进程。
        if(pid == 0)
        {
            break;
        }
    }
    // 父进程
    if(i == 3)
    {
        counter += 100;
        printf("parent process, pid = %d, ppid = %d, %d\n", getpid(), getppid(), counter);
        //等待子进程结束，回收子进程。
        sleep(1);
    }
    // 子进程
    else if(i == 0)
    {
        // 1th
        counter += 200;
        printf("child process, pid = %d, ppid = %d, %d\n", getpid(), getppid(), counter);
    }
    else if(i == 1)
    {
        // 2th
        counter += 300;
        printf("child process, pid = %d, ppid = %d, %d\n", getpid(), getppid(), counter);
    }
    else if(i == 2)
    {
        // 3th
        counter += 400;
        printf("child process, pid = %d, ppid = %d, %d\n", getpid(), getppid(), counter);
    }
    return 0;
}

2. 进程相关的命令

ps:
ps aux | grep "xxx"
pa aux | grep "xxx"
kill
查看信号：kill -l
杀死某个进程：kii -9 （SIGKILL）PID

3. exec函数族

功能：让父子进程执行不相干的操作，能够替换进程地址空间中的源代码.txt段
这样可以实现：执行另外一个程序不需要创建额外的地址空间，可以在一个运行的程序中调用另外一个程序。
进程基础知识

execl函数：
int execl(const char *path, const char *arg, ……)
参数：
    path:要执行的程序的绝对路径
    变参arg：要执行的程序需要的草书
           第一arg：占位，值不会影响后面的程序执行
           后边的arg：命令的参数
           参数写完之后：NULL
           一般执行自己写的程序
返回值：
      成功：无返回值
      失败：-1

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>

int main(int argc, const char* argv[])
{
    printf("hello, world\n");
 
    for(int i=0; i<3; ++i)
    {
        printf("parent i = %d\n", i);
    }
 
    pid_t pid = fork();
    if(pid == -1)
    {
        perror("fork error");
        exit(1);
    }
    //　子进程执行程序
    if(pid == 0)
    {
        // execl("hello", "xxxx",  NULL);
        //execl("/home/kevin/hello", "xxxx",  NULL);
        //NULL这里是哨兵，表示可变变量的输入已经终止
        //ls程序是用的子进程的地址空间
        execl("/bin/ls","ls","-lah",NULL);
        perror("execl");
        exit(1);
    }
    for(int i=0; i<3; ++i)
    {
        printf(" i = %d\n", i);
    }
    return 0;
}

其他exec函数总结：

int execlp(const char *file, const char *arg, …)
参数：
	const char*: 要加载的程序名字，该函数需要配合PATH环境变量来使用，
	当PATH所有目录搜素后没有参数1则返回出错。
其他和execl函数类似。
该函数通常用来调用系统程序。如ls、date、cp、cat命令。
execlp这里面的p，表示要借助环境变量来加载可执行文件

int execle(const char *path, const char *arg, ……, char *const envp[])
参数：
	path：执行程序的绝对路径 /home/lj/hello
	arg:执行程序的参数
	envp：用户自己指定的搜索目录，替代PATH

int execve(const char *path,char *const argv[], char *const envp[])
……

4. 孤儿进程和僵尸进程

孤儿进程：
父进程先于子进终止，子进程沦为“孤儿进程”，会被 init 进程领养。
僵尸进程：
子进程终止，父进程尚未对子进程进行回收，在此期间，子进程为“僵尸进程”。 kill 对其无效。这里要注意，每个进程结束后都必然会经历僵尸态，时间长短的差别而已。子进程终止时，子进程残留资源PCB存放于内核中，PCB记录了进程结束原因**，进程回收就是回收PCB。回收僵尸进程，得kill它的父进程，让孤儿院去回收它。**
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5. 进程回收函数

wait函数：回收子进程退出资源，阻塞回收任意一个。

pid_t wait(int *status)
	参数：（传出） 回收进程的状态。为传出参数
		WIFEXITED(status)：为非0，进程正常退出
		WIFEXITED(status) ：为真 调用 WEXITSTATUS(status)得到子进程 退出值。
	获取导致子进程异常终止信号：
		WIFSIGNALED(status)：为真 调用 WTERMSIG(status)得到 导致子进程异常终止的信号编号。
	返回值：成功： 回收进程的pid
		   失败： -1， errno
函数作用1：	阻塞等待子进程退出
函数作用2：	清理子进程残留在内核的 pcb 资源
函数作用3：	通过传出参数，得到子进程结束状态

一个进程终止时会关闭所有文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但它的PCB还保留着，内核在其中保存了一些信息：如果是正常终止则保存着退出状态，如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。这个进程的父进程可以调用wait或者waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。我们知道一个进程的退出状态可以在shell中用特殊变量$？查看，因为shell是它的父进程，当它终止时，shell调用wait或者waitpid得到它的退出状态，同时彻底清除掉这个进程。
示例：
进程基础知识

waitpid函数：指定某一个进程进行回收。可以设置非阻塞。
waitpid(-1, &status, 0) == wait(&status);

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)
参数：
	pid：指定回收某一个子进程pid
		> 0: 待回收的子进程pid
		-1：任意子进程
		0：同组的子进程。
	status：（传出） 回收进程的状态。
    options：WNOHANG 指定回收方式为，非阻塞。
返回值：
	> 0 : 表成功回收的子进程 pid
    0 : 函数调用时， 参3 指定了WNOHANG， 并且，没有子进程结束。
    -1: 失败。errno

一次wait/waitpid函数调用，只能回收一个子进程。父进程产生了多个子进程，wait会随机回收一个。

示例：指定一个子进程进行回收：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <pthread.h>  
	  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int i;  
    pid_t pid, wpid, tmpid;  	  
	for (i = 0; i < 5; i++) 
	{         
		pid = fork();  
	    if (pid == 0) 
	    {       
	    	// 循环期间, 子进程不 fork   
			 break;  
        }  
        if (i == 2) 
        {  
        	tmpid = pid;  
	        printf("--------pid = %d\n", tmpid);  
	    }  
	 }  
	 if (5 == i) 
	 {       
	 	// 父进程, 从 表达式 2 跳出  
		sleep(5);  
	    //wait(NULL);      // 一次wait/waitpid函数调用,只能回收一个子进程.  
	    //wpid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG); //回收任意子进程,没有结束的子进程,父进程直接返回0   
	    //wpid = waitpid(tmpid, NULL, 0);   //指定一个进程回收, 阻塞等待  
	    printf("i am parent , before waitpid, pid = %d\n", tmpid);  
        //wpid = waitpid(tmpid, NULL, WNOHANG);   //指定一个进程回收, 不阻塞  
	    wpid = waitpid(tmpid, NULL, 0);         //指定一个进程回收, 阻塞回收  
	    if (wpid == -1) {  
	        perror("waitpid error");  
	        exit(1);  
        }  
	    printf("I'm parent, wait a child finish : %d \n", wpid);  
	  
    } else {            // 子进程, 从 break 跳出  
        sleep(i);  
	    printf("I'm %dth child, pid= %d\n", i+1, getpid());  
	    }    
    return 0;  
}

运行结果：
进程基础知识
循环回收多个子进程：

// 回收多个子进程  
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <pthread.h>  

int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int i;  
    pid_t pid, wpid;  
  
    for (i = 0; i < 5; i++) {         
        pid = fork();  
        if (pid == 0) {       // 循环期间, 子进程不 fork   
            break;  
        }  
    }  
  
    if (5 == i) {       // 父进程, 从 表达式 2 跳出  
        /* 
        while ((wpid = waitpid(-1, NULL, 0))) {     // 使用阻塞方式回收子进程 
        printf("wait child %d \n", wpid); 
    } 
        */  
        while ((wpid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) != -1) {  //使用非阻塞方式,回收子进程. 
            if (wpid > 0) {  
                printf("wait child %d \n", wpid);  
            } else if (wpid == 0) {  
                sleep(1);  
                continue;  
            }  
        }  
  
    } else {            // 子进程, 从 break 跳出  
        sleep(i);  
        printf("I'm %dth child, pid= %d\n", i+1, getpid());  
    }   
    return 0;  
}

编译运行，结果如下：
进程基础知识

6. 进程间通信的方法

进程间通信（IPC）：interprocess Communication
常用的有四种方式：（后面的章节介绍）
（1）管道-简单
（2）信号-系统开销小
（3）共享映射区-有无血缘关系的进程间通信都可以
（4）本地套接字-稳定

进程基础知识

一. 进程和程序

二. PCB控制块

三. 进程的函数操作

1. fork函数：父进程调用fork函数创建子进程

2. 进程相关的命令

3. exec函数族

4. 孤儿进程和僵尸进程

5. 进程回收函数

6. 进程间通信的方法

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一. 进程和程序

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