进程控制

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

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;
}

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;
}

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;
}

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;
}

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;
}