进程控制

程序员文章站 2022-06-23 18:58:06

1. 程序和进程什么是程序？什么是进程？程序是计算机存储系统中的数据文件，如源代码程序和可执行程序进程是程序关于某个数据集合的一次运行活动，是程序执行后得到的一个实体在当代操作系统中，进程是资源分配的基本单位程序和进程有什么联系？没有程序就没有进程；但有了程序，未必就会有进程，如程序不运 ......

1. 程序和进程

什么是程序？什么是进程？

程序是计算机存储系统中的数据文件，如源代码程序和可执行程序
进程是程序关于某个数据集合的一次运行活动，是程序执行后得到的一个实体
在当代操作系统中，进程是资源分配的基本单位

程序和进程有什么联系？

没有程序就没有进程；但有了程序，未必就会有进程，如程序不运行、程序本身是动态库等
一个程序可能对应多个进程，如记事本程序多次运行，产生多个记事本进程
一个进程可能包含多个程序，如一个程序依赖多个动态库，每个动态库都是一个程序

2. 进程状态

进程三态模型：就绪、阻塞、运行。

就绪：进程已经做好了一切准备，一旦得到cpu，就会开始运行
阻塞：进程正在等待某一事件发生（如共享资源被释放、io完成）而停止运行，在事件发生前，即使得到cpu也无法运行
运行：进程拥有cpu控制权，并正在运行

进程五态模型：与三态模型相比，多了新建、终止两种状态。

新建：进程还未创建完毕，不能被系统调度
终止：进程已结束运行，正在回收系统资源

进程控制

3. 进程标识

每个进程都有一个非负整数的进程id（pid），作为识别不同进程的唯一标识。
此外，每个进程还有一些其他标识符，包括父进程id（ppid）、实际用户id（uid）、有效用户id（euid）、实际组id（gid）、有效组id（egid）。

#include <unistd>

pid_t getpid();   //返回值：调用进程的进程id
pid_t getppid();  //返回值：调用进程的父进程id
uid_t getuid();   //返回值：调用进程的实际用户id
uid_t geteuid();  //返回值：调用进程的有效用户id
uid_t getgid();   //返回值：调用进程的实际组id
uid_t getegid();  //返回值：调用进程的有效组id

4. 进程创建

一个现有的进程可以调用fork函数创建一个新进程，这个新进程叫做子进程，调用fork的进程叫做父进程。

子进程获得父进程数据空间、堆、栈的副本
父进程和子进程共享代码段、文件描述符和文件偏移量

#include <unistd.h>

pid_t fork();  //若成功：子进程返回0，父进程返回子进程id；若出错，返回-1

fork的特点为：一次调用，两次返回。

父进程返回子进程id的原因：父进程可以有多个子进程，但父进程不能通过函数获得其所有子进程的id，因为没有这样的函数
子进程返回0的原因：一个进程只会有一个父进程，并且子进程还可以调用getppid获得其父进程id

fork有以下两种用法：

父进程和子进程同时执行不同的代码段
子进程从fork返回后立即调用exec，执行另一个不同的程序

fork成功返回后，父进程和子进程继续执行后面的代码，但父子进程谁先执行，这点是不确定的。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int globvar = 10;

int main()
{
    int var = 5;

    pid_t pid = fork();

    if (pid > 0)
    {
        sleep(2); //父进程休眠2秒，让子进程先运行
    }
    else if (pid == 0)
    {
        globvar++;
        var++;
    }

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

    return 0;
}

进程控制

5. 进程终止

正常终止方式：

从main函数return
调用exit()、_exit()、_exit()（对于linux，后两个函数是同义的）
进程的最后一个线程在其启动例程中调用return或pthread_exit()

异常终止方式：

调用abort()以产生sigabrt信号
进程接收到某些信号
进程的最后一个线程对pthread_cancel()请求做出响应

6. 避免僵尸进程

僵尸进程的产生与危害

一个已经终止、但是其父进程尚未对其进行善后处理的进程，称为僵尸进程
子进程退出时，内核会释放它占用的内存等资源，但是仍然保留了一些信息，如进程id
内核为终止子进程保留的信息直到父进程调用wait或waitpid时才会释放
如果父进程没有调用wait或waitpid，那么已经终止的子进程就会变成僵尸进程，其占用的进程id会无法释放
大量的僵尸进程可能会使系统没有可用的进程id，从而导致系统无法创建新进程

wait函数

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

pid_t wait(int *status); //成功返回终止子进程id，失败返回-1

当在父进程中调用了wait时：

如果所有子进程都还在运行，则父进程阻塞
如果有任意子进程终止，则取得其终止状态并立即返回
如果父进程没有子进程，则立即出错返回

如果wait的参数status不为null，那么子进程的终止状态就存放在它指向的内存中，如果不关心终止状态，可以将status指定为null。

waitpid函数

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

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); //成功返回终止子进程id，失败返回-1或0

waitpid的第二个参数status用法和wait一样，但waitpid相比于wait的不同之处在于：

当pid > 0时，waitpid可以等待由pid指定的特定子进程
当options == wnohang时，若pid指定的子进程尚未终止，waitpid不会阻塞，而是立即返回0
当pid == -1 && options == 0时，waitpid等价于wait

虽然waitpid可以实现非阻塞版本的wait，但也存在一个缺陷：如果子进程在父进程waitpid(pid, null, wnohange)之后才终止，那么即使父进程尚未结束，也不会给子进程收尸，也就是说，终止的子进程会一直处于僵尸进程状态，直到父进程退出。

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

int main()
{    
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        sleep(2); //确保父进程执行waitpid时子进程还在休眠
        printf("child %d exit\n", getpid());  
        exit(0);      
    }
        
    if (waitpid(pid, null, wnohang) == 0)
    {
        printf("waitpid return before child exit\n");
    }
    
    sleep(300);   //虽然waitpid不阻塞，但在父进程终止前，子进程pid会一直是僵尸进程
        
    return 0;
}

进程控制

如果既要保证父进程不阻塞等待子进程终止，也不希望子进程处于僵尸状态直到父进程终止，可以采用调用两次fork的诀窍，其核心思路为：

进程a调用fork产生子进程b，然后立即调用waitpid(pid, null, 0)，等待进程b终止
进程b再次调用fork产生子进程c，然后立即调用exit(0)终止（必须确保进程b在进程c之前终止）
进程a随即解除waitpid阻塞，对进程b收尸处理
由于父进程提前终止，进程c由init收养，其终止时也会由init收尸
此时，进程a和进程c就成为相互独立、互不干扰的两个进程，两者各司其职，分别执行不同的处理

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        if ((pid = fork()) > 0)
        {
            exit(0); //子进程b再次调用fork后立即终止，只留下孙子进程c
        }
        
        /*孙子进程c由init进程收养*/
        sleep(2);
        printf("i'm second child %d, my parent bacomes %d\n", getpid(), getppid());
        
        exit(0);
    }
    
    printf("i'm parent %d\n", getpid());
    
    if (waitpid(pid, null, 0) == pid) //父进程a立即调用waitpid等待子进程b终止
    {
        printf("first child %d exit\n", pid);
    }
    
    /*此时，进程a和进程c之间就没有了继承关系，两者相互独立，互不干扰，各司其职*/
    
    sleep(300);
    
    return 0;
}

进程控制

从上图执行结果可以看出：

进程b（pid=9293）已经在进程列表中找不到了，说明已经被收尸处理了，没有产生僵尸进程
进程c（pid=9294）也不在进程列表中了，说明其终止后由init收尸处理了，也没有产生僵尸进程

7. exec函数族

exec函数及使用规则

上面提到过fork的两种用法，其中一种是“子进程从fork返回后立即调用exec，执行另一个不同的程序”。

当进程调用exec函数时，其执行的程序将完全替换为exec指定的新程序，而新程序则从其main()开始执行。
因为exec并不创建新进程，所以替换前后的进程id不会改变，exec只是用磁盘上的一个新程序替换了调用进程的代码段、数据段和堆栈。

有7个不同的exec函数可供使用，它们统称为exec函数族，可以根据需要调用这7个函数中的任意一个。

#include <unistd.h>

/*7个函数返回值均为：若成功，不返回；若失败，返回-1*/

//以路径名为参数
int execl(const char *path, const char *arg0, ... /*, (char *)0 */);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execle(const char *path, const char *arg0, ... /*, (char *)0, char *const envp[]*/);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

//以文件名为参数
int execlp(const char *file, const char *arg0, ... /*, (char *)0 */);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

//以文件描述符为参数
int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const envp[]);

这些函数的命名是有规律的：exec[必选：l or v][可选：p or e]（fexecve作为特例单独拎出来）
这些函数的参数用于指定新程序的相关信息，分为3部分：可执行程序、命令行参数、环境变量，具体使用规则为：
【必选项l or v】

带l，各个命令行参数必须以','间隔，最后一个命令行参数必须是null
带v，需要将l后续的各个命令行参数（包括最后的null）构造成一个指针数组，然后以该指针数组作为参数

【可选项p】

不带p，以可执行程序的路径名path作为参数
带p，以可执行程序的文件名file作为参数，如果file中包含/，则视作路径名，否则从path环境变量指定的目录中搜索可执行程序

【可选项e】

不带e，复制调用进程的环境变量给新程序使用
带e，需要传递环境变量给新程序使用

【fexecve特例】

后缀ve含义和上面一样
前缀f代表新程序由文件描述符fd指定

exec函数使用示例

/* filename - execl.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execl("/bin/echo", "echo", "executed by execl", null);
    }
    
    waitpid(pid, null, 0);
    
    return 0;
}

/* filename - execv.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *execv_argv[] = 
{
    "echo",
    "executed by execv",
    null
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {      
        execv("/bin/echo", execv_argv);
    }
    
    waitpid(pid, null, 0);
    
    return 0;
}

/* filename - execlp.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {       
        execlp("echo", "echo", "executed by execlp", null);
    }
    
    waitpid(pid, null, 0);
    
    return 0;
}

/* filename - execvp.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *execvp_argv[] = 
{
    "echo",
    "executed by execvp",
    null
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execvp("echo", execvp_argv);
    }
    
    waitpid(pid, null, 0);
    
    return 0;
}

/* filename - execle.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *env[] = 
{
    "path=/home/delphi",
    "user=execle",
    null
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execle("/usr/bin/env", "env", null, env);
    }
    
    waitpid(pid, null, 0);
    
    return 0;
}

/* filename - execve.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *execve_argv[] = 
{
    "env",
    null
};

char *env[] = 
{
    "path=/home/delphi",
    "user=execve",
    null
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execve("/usr/bin/env", execve_argv, env);
    }
    
    waitpid(pid, null, 0);
    
    return 0;
}

进程控制

8. system函数

#include <stdlib.h>

int system(const char *command);

system返回值

在unix系统中，system在其内部实现调用了fork、exec和waitpid，因此有3种返回值。

如果fork失败，或者waitpid返回除eintr之外的错误，则system返回-1，并且设置errno以指示错误类型
如果exec失败，比如被信号中断，或者command命令不存在，system返回127
如果fork、exec和waitpid都成功，system的返回值是shell的终止状态，即command通过exit或return返回的值

下面通过一个system的简易实现，来帮助理解该函数的返回值。

int system(const char * cmdstring)
{
    pid_t pid;
    int status;

    if (cmdstring == null)
    {
        return (1); //如果cmdstring为空，返回非零值，一般为1
    }

    if ((pid = fork()) < 0)
    {
        status = -1; //fork失败，返回-1
    }
    else if (pid == 0)
    {
        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *)0);
        _exit(127); // exec执行失败返回127，注意exec只在失败时才返回现在的进程，成功的话现在的进程就不存在啦~~
    }
    else //父进程
    {
        while (waitpid(pid, &status, 0) < 0)
        {
            if (errno != eintr)
            {
                status = -1; //如果waitpid被信号中断，则返回-1
                break;
            }
        }
    }

    return status; //如果waitpid成功，则返回子进程的返回状态
}

仔细看完这个system函数的简单实现，该函数的返回值就清晰了吧，那么什么时候system()返回0呢？答案是只在command命令返回0时。

system使用示例

#include <stdlib.h>

int main()
{
    system("ls -l");
    system("cat func.c");    
    system("gcc -o func.out func.c");
    system("ls -l");
    system("echo main.out begin system func.out");
    system("./func.out");
    
    return 0;
}

进程控制

上一篇：批处理删除自身的命令小结

下一篇：数据结构--平衡二叉树

进程控制

1. 程序和进程

2. 进程状态

3. 进程标识

4. 进程创建

5. 进程终止

6. 避免僵尸进程

僵尸进程的产生与危害

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waitpid函数

7. exec函数族

exec函数及使用规则

exec函数使用示例

8. system函数

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