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[系统运维]Linux系统编程——进程管理

作者:token keyword

概述

程序是存放在存储介质上的一个可执行文件
进程是程序执行的过程
进程的一次执行过程，其状态是变化的，其包括进程的创建、调度和消亡
在 Linux 系统中，进程是管理事务的基本单元。进程拥有自己独立的处理环境和系统资源。
可使用exec族函数可以由内核将程序读入内存，使其执行起来成为一个进程

进程状态

Linux下进程有5种运行状态：R 运行状态，S可中断等待状态，D不可中断等待状态，Z僵尸状态，T停止状态
按进程运行的整个生命周期可以将进程简单划分为三种状态：
- 就绪态：进程已经具备执行的一切条件，正在等待分配 CPU 的处理时间。
- 运行态：该进程正在占用 CPU 运行
- 阻塞态：正在执行的进程由于等待某个事件发生而无法执行时，便放弃处理机而处于阻塞态
进程调度机制：时间片轮转，上下文切换

进程控制块

当进程执行时，系统会开辟一段内存空间存放与此进程相关的数据信息，而这个数据信息是通过结构体（task_struct）来存放，我们把这个存放进程相关数据信息的结构体称为进程控制块。操作系统就是通过这个进程控制块来操作控制进程。
进程控制块存放在内核中（/usr/src/linux-headers-4.15.0-30/include/linux/sched.h）

ps命令（shell）

Linux中的ps命令是Process Status的缩写。ps命令用来列出系统中当前运行的那些进程
ps 为我们提供了进程的一次性的查看，它所提供的查看结果并不动态连续的；如果想对进程时间监控，应该用 top 工具

ps命令：ps [参数] 用来显示当前进程的状态
命令参数：

参数	含义
a	显示所有进程
-a	显示同一终端下的所有程序
-A	显示所有进程
c	显示进程的真实名称
N	反向选择
e	等于“-A”
e	显示环境变量
f	显示程序间的关系
H	显示树状结构
r	显示当前终端的进程
T	显示当前终端的所有程序
u	指定用户的所有进程
-au	显示较详细的资讯
-aux	显示所有包含其他使用者的行程
-C<命令>	列出指定命令的状况
–lines<行数>	每页显示的行数
–width<字符数>	每页显示的字符数
–help	显示帮助信息
–version	显示版本显示

进程号

每个进程都由一个进程号来标识，其类型为 pid_t（无符号整型），由系统随机分配，进程号的范围：0～32767
进程号总是唯一的，但进程号可以重用。当一个进程终止后，其进程号就可以再次使用
进程号PID：标识进程的一个非负整型数
父进程号PPID：任何进程（除 init 进程）都是由另一个进程创建，该进程称为被创建进程的父进程，对应的进程号称为父进程号
进程组号PGID：进程组是一个或多个进程的集合。他们之间相互关联，进程组可以接收同一终端的各种信号，关联的进程有一个进程组号
PID 0 为交换进程swapper，进行进程调度
PID 1 为init进程，进行系统初始化，收留孤儿进程

获取进程号的函数：

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

/**********************
功能：获取本进程号（PID）
参数：无
返回值：本进程号
*********************/
pid_t getpid(void);

/***************************************
功能：获取调用此函数的进程的父进程号（PPID）
参数：无
返回值：调用此函数的进程的父进程号（PPID）
参数为 0 时返回当前进程组号，否则返回参数指定的进程的进程组号
****************************************/
pid_t getppid(void);

/***************************************
功能：获取进程组号（PGID）
参数：pid：进程号
返回值：参数为 0 时返回当前进程组号，否则返回参数指定的进程的进程组号
***************************************/	
 pid_t getpgid(pid_tpid);

进程的虚拟地址空间

每个进程都有自己独立的4G内存空间，但实际上这个内存是不存在的，是虚拟内存，每次访问内存空间地址的时候，都需要翻译成实际物理地址

进程空间

栈stack：存放局部变量，函数参数
堆heap：动态分配内存
未初始化数据段bss：未初始化的变量
数据段static：全局变量，静态变量，静态局部变量
代码段code：包含了进程运行的程序机器语言指令。文本段具有只读属性，以防止进程通过错误指针意外修改自身指令
系统之所以分成这么多个区域，主要基于以下考虑：
- 代码段和数据段分开，运行时便于分开加载，在哈佛体系结构的处理器将取得更好得流水线效率。
- 代码时依次执行的，是由处理器 PC 指针依次读入，而且代码可以被多个程序共享，数据在整个运行过程中有可能多次被调用，如果将代码和数据混合在一起将造成空间的浪费。
- 临时数据以及需要再次使用的代码在运行时放入栈中，生命周期短，便于提高资源利用率。
- 堆区可以由程序员分配和释放，以便用户自由分配，提高程序的灵活性。

创建一个进程fork()

一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源。fork函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程，也就是两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。
一个进程调用fork函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。
当一个c程序使用fork后，fork上面的代码里的数据两进程不共享，相互独立;下面的代码两个进程都会执行，如果要两进程执行不同任务需用fork的返回值区分

函数原型：

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

pid_t fork(void);

功能：用于从一个已存在的进程中创建一个新进程，新进程称为子进程，原进程称为父进程
返回值：
- 成功：返回两个值，子进程中返回 0，父进程中返回子进程号
- 失败：返回-1
如果父进程先于子进程完成退出，此时子进程失去父亲成为孤儿进程由init进程(PID 1)成为其新的父进程

示例代码：

//fork函数测试
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	printf("before fork, pid:[%d]\n", getpid());
	//创建子进程
	//pid_t fork(void);
	pid_t pid = fork();//两个进程会同时执行下面的代码
	if(pid<0) //fork失败的情况
	{
		perror("fork error");
		return -1;
	}
	else if(pid>0)//父进程
	{
		printf("father: [%d], pid==[%d], fpid==[%d]\n", pid, getpid(),getppid());
		//sleep(1);
	}
	else if(pid==0) //子进程
	{
		printf("child: pid==[%d], fpid==[%d]\n", getpid(), getppid());
	}
	
	printf("after fork, pid:[%d]\n", getpid());

	return 0;
}

进程挂起

进程在一定时间内没有任何动作，成为进程的挂起

sleep函数：

#include<unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int sec);

功能：进程挂起指定的秒数，直到指定时间用完或收到信号才解除挂起
返回值：到指定时间返回0，有信号中断返回剩余秒数

进程等待

进程已运行结束，但进程的占用的资源未被回收，这样的进程称为僵尸进程
当一个进程正常或异常终止时，内核就向其父进程发送 SIGCHLD 信号，而父进程可以通过 wait() 或 waitpid()函数等待子进程结束，获取子进程结束时的状态，同时回收他们的资源
父进程可以通过调用wait或waitpid得到它的退出状态同时彻底清除掉这个进程。

原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

wait：

父进程一旦调用了wait就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。
参数status用来保存被收集进程退出时的一些状态
- 参数设置为NULL：如果成功，wait会返回被收集的子进程的进程ID，如果调用进程没有子进程，调用就会失败，此时wait返回-1，同时errno被置为ECHILD
- 参数设置为WIFEXITED(status)：这个宏用来指出子进程是否为正常退出的，如果是，它会返回一个非零值。
- 参数设置为WEXITSTATUS(status) ：当WIFEXITED返回非零值时，我们可以用这个宏来提取子进程的返回值，如果子进程调用exit(5)退出WEXITSTATUS(status) 就会返回5

waitpid()：

比wait多了两个参数提供额外的选项
功能：等待子进程终止，如果子进程终止了，此函数会回收子进程的资源。
参数：

pid：
- pid > 0 等待进程 ID 等于 pid 的子进程
- pid = 0 等待同一个进程组中的任何子进程，如果子进程已经加入了别的进程组，waitpid 不会等待它
- pid = -1 等待任一子进程，此时 waitpid 和 wait 作用一样。
- pid < -1 等待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
options :
- 0：同 wait()，阻塞父进程，等待子进程退出
- WNOHANG：没有任何已经结束的子进程，则立即返回
- WUNTRACED：如果子进程暂停了则此函数马上返回，并且不予以理会子进程的结束状态。（由于涉及到一些跟踪调试方面的知识，加之极少用到）
返回值：
- 当正常返回的时候，waitpid() 返回收集到的已经回收子进程的进程号
- 如果设置了选项 WNOHANG，而调用中 waitpid() 发现没有已退出的子进程可等待，则返回 0
- 如果调用中出错，则返回-1，这时 errno 会被设置成相应的值以指示错误所在，如：当 pid 所对应的子进程不存在，或此进程存在，但不是调用进程的子进程，waitpid() 就会出错返回，这时 errno 被设置为 ECHILD

wait示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>//pid_t的定义
#include <unistd.h>
#include <wait.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
/***********************************************************
    功能说明：进程等待wait()方法的应用
    author: linux.sir@qq.com
***********************************************************/
void waitprocess();
int main(int argc, char * argv[])
{
  waitprocess();  
}
void waitprocess()
{
	int count = 0;
	pid_t pid = fork();//创建子进程，返回两个值，父进程返回子进程ID>0，子进程返回0
    int status = -1;  
    if(pid<0)
    {
   		printf("fork error for %m\n",errno );
    }else if(pid>0) {//父进程空间
    	printf("this is parent ,pid = %d\n",getpid() );
    	wait(&status);//父进程执行到此，马上阻塞自己，直到有子进程结束。当发现有子进程结束时，就会回收它的资源。    
    }else{ //子进程空间
    	printf("this is child , pid = %d , ppid = %d\n",getpid(),getppid());
    	int i;    
    	for (i = 0; i < 10; i++){
        	count++;
      		sleep(1);//进入睡眠，暂时释放时间片，给其他线程
      		printf("count = %d\n", count);      
        }
        exit(5); //非0表示子进程异常退出，返回至wait处，回收子进程资源
    }
    printf("child exit status is %d\n", WEXITSTATUS(status));//status是按位存储的状态信息，需要调用相应的宏来还原一下  
    printf("end of program from pid = %d\n",getpid() );  //父进程结束
}

进程退出

函数：

#include <stdlib.h>

void exit(int status);
/*
功能：
	结束调用此函数的进程。
参数：
	status：返回给父进程的参数（低 8 位有效），至于这个参数是多少根据需要来填写。
返回值：
	无
*/


#include <unistd.h>

void _exit(int status);
/*
功能：
	结束调用此函数的进程。
参数：
	status：返回给父进程的参数（低 8 位有效），至于这个参数是多少根据需要来填写。
返回值：
	无
*/
    
#include <stdlib.h>

void _Exit(int status);
/*
功能：
	结束调用此函数的进程。
参数：
	status：返回给父进程的参数（低 8 位有效），至于这个参数是多少根据需要来填写。
返回值：
	无
*/

return仅调用堆栈的返回，将控制权交给主调函数，只在主函数里相当于exit；使用exit结束进程将控制权交给操作系统或父进程
exit()属于标准库函数，_exit()属于系统调用函数，调用 exit() 函数，会刷新 I/O 缓冲区而_exit()不会（使用_exit函数退出printf的调试信息可能不会被打印）

使用vfork创建进程

函数：

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

 pid_t vfork(void);

子进程共享父进程的地址空间，所以vfork不会克隆父进程，子进程运行时父进程被挂起
vfork保证子进程先运行，在它调用 exec（进程替换）或 exit（退出进程）之后父进程才可能被调度运行。如果子进程没有调用 exec, exit, 程序则会导致死锁
由vfork创建进程时与父进程公用一块地址空间，那么他的创建进程的效率很高。但是fork后来实现了写时拷贝技术，他的效率大大提高，而且进程独立，所以vfork就被淘汰来

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	pid_t pid;
	
	pid = vfork();	// 创建进程
	if(pid < 0){ // 出错
		perror("vfork");
	}
	
	if(0 == pid){ // 子进程
		sleep(3); // 延时 3 秒
		printf("i am son\n");
		
		_exit(0); // 退出子进程，必须
	}else if(pid > 0){ // 父进程
		
		printf("i am father\n");
	}
	
	return 0;
}

进程替换：exec函数族

exec函数族可以在进程中启动另一个程序，它可以根据指定的文件名或目录名找到可执行文件
被启动的程序取代原调用进程的数据段、代码段和堆栈段，在执行完之后，原调用进程的内容除了进程号外，其他全部被新的进程替换了，所以通常fork一个新进程给exec执行
被启动的程序除了二进制文件，也可以是任何Linux下可执行的脚本文件，所以shell命令也可以用exec执行

函数原型：

#include <unistd.h>

int execl(const char *path, const char *arg, ...
      /* (char  *) NULL */);
      
int execlp(const char *file, const char *arg, ...
       /* (char  *) NULL */);
       
int execle(const char *path, const char *arg, ...
       /*, (char *) NULL, char * const envp[] */);
       
int execv(const char *path, char *const argv[]);

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

int execvpe(const char *file, char *const argv[],
        char *const envp[]);

函数返回值：调用成功函数不会返回；出错返回-1，失败原因记录在error中
exec族函数一个有6个，其中只有 execve() 是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数

在这里插入图片描述

exec后面的字母：

l (list) 命令行参数列表
p (path) 搜素file时使用path变量
v (vector) 使用命令行参数数组
e (environment) 使用环境变量数组,不使用进程原有的环境变量，设置新加载程序运行的环境变量

参数说明：

带l execl，execlp，execle：表示后边的参数以可变参数的形式给出且都以一个空指针结束。这里特别要说明的是，程序名也是参数，所以第一个参数就是程序名
带p execlp，execvp：表示第一个参数无需给出具体的路径，只需给出函数名即可，系统会在PATH环境变量中寻找所对应的程序，如果没找到的话返回－1
带v execv，execvp：表示命令所需的参数以char *arg[]形式给出且arg最后一个元素必须是NULL
带e execle：将环境变量传递给需要替换的进程，原来的环境变量不再起作用

以PS举例：


char *const ps_argv[] ={"ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL};
char *const ps_envp[] ={"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};

execl("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
execv("/bin/ps", ps_argv);
execle("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL, ps_envp);
execve("/bin/ps", ps_argv, ps_envp);
execlp("ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
execvp("ps", ps_argv);