APUE_进程控制

清疚 2024-04-18 08:54 58阅读 0赞

### 1.进程标识符 ###

每一个进程都有一个非负整形（unsigned int）表示的唯一进程ID。因为进程ID是唯一的所以常将其作为其他标识符的一部分以保证其唯一性。虽然是唯一的但是进程ID**是可重用**的，当一个进程终止之后其ID就可以重用。系统会采用延迟重用来防止误认。

有3个特殊的进程需要记住：1、ID号为0的通常是**调度进程**，也称交换进程（swapper）。该进程是内核的一部分，其并不执行磁盘上的任何程序，因此也被成为系统进程；2、进程号为1的进程是**初始化进程**（init），它读系统有关的初始化文件，并将系统引导到一个状态，init进程绝不会终止。但其不是内核进程，而是一个运行在超级用户特权的普通进程，这个进程是所有孤儿进程的父进程；3、进程号为2的进程是**页守护进程**（pagedaemon）。此进程支持虚拟存储系统的分页操作。

以下函数是和进程标识符相关的函数：

#include <unistd.h>
    pid_t getpid(void);	//返回调用进程的进程ID
    pid_t getppid(void); //返回调用进程的父进程ID，因为父进程只有一个所以子进程可以得到						//父进程ID，但是反过来就不行了
    uid_t getuid(void);  //调用进程的实际用户ID
    uid_t geteuid(void);  //调用进程的有效用户ID
    gid_t getgid(void);   //调用进程的实际组ID
    get_t getegid(void);  //调用进程的有效组ID

### 2.fork函数 ###

#include <unistd.h>
    pid_t fork(void);
    			//返回值：在子进程中返回，在父进程中返回子进程ID，出错返回-1

子进程是父进程的副本，例如子进程获得父进程的数据空间、堆和栈的副本。只是子进程拥有的副本，子进程和父进程并不共享，子进程和父进程共享的是代码段。由于需要父进程数据空间等的副本，所以使用了**写时复制(Copy-On-Write,COW)技术**。

代码示例：

#include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    int glob = 6;
    char buf[] = “a write to stdout\n”;
    int main(void)
    {
    	int var;
    	pid_t pid;
    	var = 88;
    	if(write(STDOUT-FILENO, buf, sizeof(buf)-1) != sizeof(buf) - 1)
    		printf(“write error\n”);
    	printf(“before fork\n”);
    	if((pid=fork())<0)
    		printf(“fork error\n”);
    	else if(pid==0)  //子进程
    	{
    		glob++; 
    		var++;
    	}
    	else{
    		sleep(2);     //父进程休眠2秒
    		}
    	printf(“pid=%d, glob=%d, var=%d\n”,getpid(),glob,var);
    	exit(0);
    }
    //执行结果表明子进程中的变量值变化了，父进程中的变量值没有变化，表示这个时候子进//程修改了数据空间，所以此时复制了那一部分的副本给子进程。

父子进程是共享问价表项的，fork的一个特性就是父进程的所有打开文件描述符都被复制到子进程中。父子进程的每一个相同的打开描述符共享一个文件表项，如下图：

![SouthEast][]

与下列文件结构比较，两个进程打开同一个文件：

**![SouthEast 1][]**

这种打开同一个文件，需要用O\_APPEND标识打开，否则有竞争的问题。或者使用pread和pwrite函数。

执行dup之后的内核数据结构。

![SouthEast 2][]

### 3.vfork函数 ###

vfork函数的调用序列和返回值与fork相同，但两者的语义不同。vfork被设计为创建的新进程用来exec一个新的程序，所以不需要原来父进程的地址空间，因为他们一旦创建就调用exec函数执行另外一段程序。所以和fork不一样，fork是COW技术，vfork根本就不复制**（这就是唯一的区别）**。所以如果子进程改变了父进程的数据空间，那么父进程中的数据就改变了。

代码示例：

#include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    int glob = 6;
    char buf[] = “a write to stdout\n”;
    int main(void)
    {
    	int var;
    	pid_t pid;
    	var = 88;
    	if(write(STDOUT-FILENO, buf, sizeof(buf)-1) != sizeof(buf) - 1)
    		printf(“write error\n”);
    	printf(“before fork\n”);
    	if((pid=vfork())<0)
    		printf(“fork error\n”);
    	else if(pid==0)  //子进程
    	{
    		glob++; 
    		var++;
    		_exit(0);        //如果调用的是exit()那么输出结果不确定
    	}
    	/*父进程在这里继续执行*/
    	printf(“pid=%d, glob=%d, var=%d\n”,getpid(),glob,var);
    	exit(0);
    }

### 4.wait和waitpid函数 ###

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**。因为子进程终止是一个异步事件（这可以在父进程运行的任何时刻发生），所以这种信号也是内核向父进程发的异步通知。父进程可忽略，也可提供一个该信号发生时即被调用执行的函数（信号处理程序）。

僵死进程——一个已经终止，但是其父进程尚未对其进行善后处理（即获取终止子进程的有关信息，释放它仍占用的资源）的进程被称为僵死进程（zombie）。内核为每个终止子进程保存了一定量的信息，这些信息至少包括进程ID，进程的终止状态，以及该进程使用的CPU时间总量，所以当终止进程的父进程调用wait或waitpid时（也就是大家常说的收尸或是超度）**，可以得到这些信息。同时，内核释放终止进程所使用的所有存储区**，关闭其所有打开文件，僵死进程不可能再借尸还魂。

**如果父进程在子进程之前终止，那么子进程将得不到超度，永远残留在内存中。**为了避免发生这样的悲剧，所有这些**子进程将由init进程领养**。其过程大致如下：在一个进程终止时，内核逐个检查所有活动进程，以判断它是否是正要终止进程的子进程，如果是，则将该进程的父进程ID更改为1。无论何时，只要有一个子进程终止，init进程就会调用一个wait函数取其终止状态，从而防止了在系统中存在很多僵死进程。

如果一个进程fork一个子进程，但不要它等待子进程终止，也不希望子进程处于僵死状态直到父进程终止，实现这一要求的技巧是调用fork两次。让原先的子进程成为孙子进程，并让其父进程英年早逝，从而交由init进程领养。其祖父进程则不再负责孙子进程的超度工作。

**      ** 父进程调用wait完成子进程的超度。如果所有子进程都还在运行，则wait阻塞。如果任意一个子进程终止，正等待父进程获取其终止状态，则取得该子进程的终止状态，并返回该子进程ID。**如果没有任何子进程，则wait立即出错返回。**

**与wait不同，waitpid可等待一个指定的进程，提供一个非阻塞版本，并且支持资源控制。**wait得到的子进程终止状态可由WIFEXITED宏测试是否为正常终止，或由WIFSIGNALED宏测试是否为异常终止。正常终止时，可用WEXITSTATUS宏获取传递给exit参数的低8位。异常终止时，可由WTERMSIG宏获取使子进程终止的信号编号。

补充：关于UNP中对多个子进程几乎同时结束时SIGCHLD信号的论述：

signal(SIGCHLD,sig_chld);
    //wait测试代码
           void sig_chld(int signo){
                 pid_t pid;
                 int stat;
                 pid=wait(&stat);
                 return;
          }
     //waitpid 的测试程序如下
           void sig_chld(int signo)
           {
                   pid_t pid;
                   int stat;
                   while((pid=waitpid(-1,&stat,WNOHANG))>0);
                   return ;
           }

**       wait(&stat);是阻塞型等待**。  
      也就是说，wait()要阻塞到所等待的子进程结束才返回。在这段“等待的子进程结束”的时间内，信号处理程序屏蔽了当前信号SIGCHLD，父进程也就无法处理其他子进程发的SIGCHLD信号。  
      **waitpid(-1,&stat,WNOHANG)中  
       WNOHANG会使进程非阻塞地等待。**也就是说，不管等待成功与否，waitpid(-1,&stat,WNOHANG)都会立即返回，进程就可以处理其他子进程发的SIGCHLD信号了。

这就是上面提到的waitpid提供非阻塞的版本。记住W-NO-HANG标志！！（不要挂起）

#include <sys/wait.h>
    pid_t wait(int *statloc)    //如果没有参数，表示不关心子进程的返回状态，可以无参数调用
    pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);
    						//成功返回进程ID，出错返回-1，
    //对于waitpid进程，可以设置pid参数：
    //pid<-1 等待进程组识别码为 pid 绝对值的任何子进程。
    //pid=-1 等待任何子进程,相当于 wait()。
    //pid=0 等待进程组识别码与目前进程相同的任何子进程。
    //pid>0 等待任何子进程识别码为 pid 的子进程。

代码示例：

#include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    int main( void )
    {
    	pid_t childpid;
    	int status;
    	if((childpid = fork())<0)
    		printf("fork error\n");
    	else if (  childpid == 0 )
    	{
    		puts( "In child process" );
    		sleep( 3 );//让子进程睡眠3秒，看看父进程的行为
    		printf("\tchild pid = %d\n", getpid());
    		printf("\tchild ppid = %d\n", getppid());
    		exit(0);
    	}
    	else
    	{
    		waitpid( childpid, &status, 0 );
    		puts( "in parent" );
    		printf( "\tparent pid = %d\n", getpid() );
    		printf( "\tparent ppid = %d\n", getppid() );
    		printf( "\tchild process exited with status %d \n", status );
    	}
    	exit(0);
    } //如果将wait函数那行注释掉的话，那么父进程先与子进程退出，所以此子进程的父进程将是init进程（ID为1）。

### 5.exec函数 ###

上节提到的vfork函数一般就是为了调用exec而设计的创建子进程函数，exec有多个版本，主要涉及1、是使用路径还是使用文件名（在PATH中搜索）；2、是参数列表（l）还是数组指针（v），3、是直接使用环境变量environ还是使用自定义环境数组。很难记清楚，还是要查手册(APUE-8.10节)。

调用exec之后就是执行指定的程序了（无论是路径还是文件名），所以子进程不需要父进程的数据空间。

[SouthEast]: https://img-blog.csdn.net/20130818222926046?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvc2ljb2ZpZWxk/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast
[SouthEast 1]: https://img-blog.csdn.net/20130818222958187?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvc2ljb2ZpZWxk/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast
[SouthEast 2]: https://img-blog.csdn.net/20130818223026843?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvc2ljb2ZpZWxk/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast