Linux系统编程（四）进程-编程知识

一、进程的产生（fork）

fork(2) 系统调用会复制调用进程来创建一个子进程，在父进程中 fork 返回子进程的 pid，在子进程中返回 0。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>pid_t fork(void);

fork 后子进程不继承未决信号和文件锁，资源利用量清 0。由于进程文件描述符表也继承下来的，所以可以看到父子进程的输入输出指向都是一样的，这个特性可以用于实现基本的父子进程通信。

init() 是所有进程的祖先进程，pid = 1。

例子（fork_test.c） ：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid;printf("Begin\n");//fflush(); //！！！重要if ((pid = fork()) == 0) {// childprintf("child process executed\n");exit(0);} else if (pid < 0) {perror("fork");exit(1);}// father//sleep(1);printf("parent process executed\n");exit(0);
}

运行结果：

注意：父子进程的运行顺序不能确定，由调度器的调度策略决定。

面试题：当将输出重定向到文件里面时，Begin 为什么打印了两次？如下图：

答案：输出到终端默认是行缓冲模式，加 “\n” 即可刷新缓冲区，但由于重定向到文件是写文件，而写文件是全缓冲，所以 “\n” 无法刷新缓冲区，所以需要在 Begin 后加上 fflush() 来强制刷新缓冲区。

例子（primes_fork.c，通过子进程来计算质数）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{int max = 100;pid_t pid;for (int i = 2; i <= max; i++) {if ((pid = fork()) == 0) {// childint flag = 1;for (int j = 2; j <= i / 2; j++) {if (i % j == 0) {flag = 0;break;}}if (flag) {printf("%d\n", i);}exit(0);} else if (pid < 0) {perror("fork");exit(1);}}exit(0);
}

通过 man ps 可以找到进程的所有状态信息：

D：不可中断的睡眠态（通常是 IO）；
I：空闲的内核线程；
R：运行态或可运行态；
S：可中断的睡眠态（等待事件的完成）；
T：被控制信号停止；
X：死亡态；
Z：僵尸（zombie）进程，已终止但未被其父亲接收；

其中父进程如果不使用 waitpid 接收子进程状态，会导致子进程终止后变成僵尸态，会占用 pid 号，父进程终止后内核会自动将子进程交付给 init 进程，等待子进程终止后为其 “收尸”。

二、进程的消亡及释放资源（wait、waitpid）

wait(2) 和 waitpid(2) 可以等待进程状态发生变化。

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

wait(2) 成功时返回终止的子进程的 pid，不需要指定特定的子进程 pid，并且需要死等（阻塞）。若 wstatus 非空，则其可以一些宏函数指示进程的状态：

WIFEXITED(wstatus)：若子进程正常终止则返回真（exit(3)、_exit(2) 或从 main 函数返回）；
WEXITSTATUS(wstatus)：返回子进程的退出状态码，前置条件是 WIFEXITED(wstatus) 必须首先为真；
WIFSIGNALED(wstatus)：若子进程被信号终止了则返回真；
WTERMSIG(wstatus)：检测终止子进程的信号值，前置条件是 WIFSIGNALED(wstatus) 为真；

waitpid(2) 相比于 wait(2) 可以指定等待的子进程（pid），并且可以指定一些选项（options）：

WNOHANG：如果没有子进程退出则立即返回（非阻塞）；

进程分配任务的方法：

分块（每个线程一部分任务）；
交叉分配（依次给每个线程分配任务）；
池（往任务池里面扔任务，线程从池中抢任务）；

三、exec 函数族

exec 函数族可以用来执行一个二进制可执行文件。

#include <unistd.h>extern char **environ;/* 需要给出文件路径 */
int execl(const char *pathname, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
/* 只需要文件名称，然后去环境变量environ中寻找 */
int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
int execle(const char *pathname, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char *const envp[] */);
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

exec 函数族会将当前进程映像替换为新的进程映像。所以在 exec 后的代码不会执行。

在 exec 之前需要 fflush()，和前面 1.1 的例子一样，写文件是全缓冲，会导致打印的内容还没写入到文件就被 exec 替换掉了进程映像。

例子，使用 fork + exec 来实现一个简单的 shell（myshell.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <glob.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define DELIMS " \t\n"struct cmd_st
{glob_t globres;
};static void prompt(void)
{printf("mysh$ ");
}static void parse(char *line, struct cmd_st *cmd)
{char *tok;int i = 0;while (1) {tok = strsep(&line, DELIMS);if (tok == NULL)break;if (tok[0] == '\0') // empty strcontinue;glob(tok, GLOB_NOCHECK | GLOB_APPEND * i, NULL, &cmd->globres);i = 1;}
}int main()
{char *linebuf = NULL;size_t linebuf_size = 0;struct cmd_st cmd;pid_t pid;while (1) {prompt(); // 打印提示符if (getline(&linebuf, &linebuf_size, stdin) < 0) {break;}parse(linebuf, &cmd); // 解析命令/* extern cmd */{pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork");exit(1);}/* child process */if (pid == 0) {execvp(cmd.globres.gl_pathv[0], cmd.globres.gl_pathv);perror("exec");exit(1);}wait(NULL);}}exit(0);
}

可以在 /etc/passwd 文件里修改用户的登录 shell，十分有趣：

四、守护进程

持续运行在后台，等待处理请求的进程。一次成功的登录会产生一个会话（session）。

管道符：把第一个命令的标准输出作为第二个命令的标准输入（ls | more）。

Linux--setsid() 与进程组、会话、守护进程

例子（mydaemon.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>#define FILENAME "/tmp/out"static void daemonize(void)
{pid_t pid;int fd;;if ((pid = fork()) < 0) {perror("fork");exit(1);}if (pid == 0) { // child processif ((fd = open("/dev/null", O_RDWR)) < 0) {perror("open");exit(1);}dup2(fd, 0);dup2(fd, 1);dup2(fd, 2);if (fd > 2)close(fd);setsid();// change working directorychdir("/"); // preventing "device is busy"// umask(0);return;} else {exit(0);// the daemon process's parent will be the init process}
}int main()
{FILE* fp = NULL;// init daemon processdaemonize();// the task of daemon processif ((fp = fopen(FILENAME, "w")) == NULL) {perror("fopen");exit(1);}for (int i = 0; ; i++) {fprintf(fp, "%d\n", i);fflush(fp); // writting file is full buffer, so we should flush the buffer after printf()sleep(1);}exit(0);
}

编译运行程序后使用 ps -axj 可以看到 daemon 进程在后台运行，但是发现其 PPID（父进程 pid）不是 init 进程的 pid 1，查了一下发现是在 Ubuntu18.04 系统中，孤儿进程会被 “/lib/systemd/systemd --user” 进程领养。