Linux C 多进程编程（面试考点）

嵌入式开发为什么要移植操作系统？

1.减小软硬件的耦合度，提高软件的移植性

2. 操作系统提供很多库和工具（QT  Open CV），提高开发效率

3.操作系统提供多任务机制，______________________?        (提高CPU的效率）

4.操作系统提供了丰富的网络协议栈，实现远程传输

Linux C 多进程编程（多进程、多线程）

1.什么是多任务

单任务————多任务

并发————并行

单核CPU ————多核CPU

2.多任务操作的实现方式

进程和线程

程序和进程的区别

        程序：

 是一组指令和数据的集合，是静态的、存储在磁盘或其他存储介质上的文件。

程序可以被看作是一段代码的集合，描述了在计算机上执行的任务。

程序本身是静态的，需要加载到内存中才能执行。

        进程：

是程序的抽象

是动态的

每个进程都都有独立的运行空间（虚拟地址空间），

每个进程都是一个独立的运行单位，拥有各自的权力和责任；（互不干扰）

进程是   安全的任务机制

缺点:开销大（进程创建和进程切换）

        进程PID编号

父进程创建子进程

获取进程PID

获取父进程PID

 ps命令、top命令和htop命令

 进程调度

在许多个已经处于就绪态的进程中，选择决定哪个进程进行调度（基于进程三态）

进程状态：

就绪态、执行态和等待态（阻塞态）

操作系统的核心就是任务（进程）管理

           

主要分为两大类：抢占式（设置优先级）和非抢占式（不设置优先级）

有如下策略

1.先到先服务；        2.短进程优先；        3.时间片轮转（使用最多）；        4.高优先级优先

实时操作系统是一种响应速度快，准确性高（抢占式）

不同任务之间通过双向链表链接

进程分类：

        处理器消耗型
渴望获取更多的CPU时间，并消耗掉调度器分配的全部时间片·常见例子:无限死循环、科学计算、影视特效渲染
        I/O消耗型
由于等待某种资源通常处于阻塞状态，不需要较长的时间片 常见例子:等待用户输入、GUI程序、文件读写I/O程序

进程同步

多个进程访问同一个文件时；需要互斥访问，否则易产生错误；

操作系统把一次只允许一个进程访问的资源成为临界资源，需要互斥访问

进程的创建

1.fork函数

 作业：利用多进程实现，分别从键盘和鼠标读数据：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc, char **argv)
{int count = 0;pid_t pid = fork();if (pid < 0)        // 错误处理{perror("pid error");exit(-1);}if (pid > 0)        // 父进程执行鼠标读操作{int fd1 = open("/dev/input/mouse0", O_RDWR);if (fd1 == -1){perror("fd1 error");exit(-1);}int location = 0;while (1){int r_num1 = read(fd1, &location, sizeof(int));if (r_num1 > 0){printf("mouse loaction=%d\n", location);}}}if (pid == 0)      // 子进程执行键盘读写操作{char buffer[1024];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));while (1){int r_num = (read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1));if (r_num > 0){buffer[r_num] = '\0';printf("%s\n", buffer);}memset(buffer, 0, sizeof(buffer));}}return 0;
}

通过多进程实现父子进程对同一个文件进行写操作

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc, char **argv)
{int count = 0;int fd = open("a.txt", O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0777);if (fd == -1){perror("fd error");exit(-1);}pid_t pid = fork();if (pid < 0) // 错误处理{perror("pid error");exit(-1);}if (pid > 0) // 父进程操作{write(fd, "hello", 5);write(fd, "world", 5);write(fd, "\n", 1);}if (pid == 0) // 子进程执行操作{write(fd, "FFFFF", 5);write(fd, "KKKKK", 5);write(fd, "\n", 1);}return 0;
}

父子进程的运行顺序，暂时是不需要明白；内部有进程调度算法

2.exec函数族

使用execl函数时，原函数在execl函数后的代码段会不起作用

表头文件:#include <unistd.h>

1. int execl c const char *path，const char *arg，...)
函数说明:

execl()用来执行参数path字符串所代表的文件路径，接下来的参数代表执行该文件时传递过去的argv[0]、argv[1]……，最后一个参数必须用空指针(NULL)作结束。
返回值﹔如果执行成功则函数不会返回，执行失败则直接返回-1，失败原因存于errno中

2. int execv ( const char *path，char *const argv[]);
函数说明:

execv ()用来执行参数path字符串所代表的文件路径，与execl (）不同的地方在于execve (）只需两个参数，第二个参数系利用指针数组来传递给执行文件。
返回值﹔如果执行成功则函数不会返回，执行失败则直接返回-1，失败原因存于errno中。

3. int execlp (const char*file，const char *arg,...);
函数说明: execlp ( ）会从 PATH环境变量所指的目录中查找符合参数file的文件名，找到后便执行该文件，然后将第二个以后的参数当作该文件的argv[0]、argv[1]……，最后一个参数必须用空指针（NULL)作结束。
返回值﹔如果执行成功则函数不会返回，执行失败则直接返回-1，失败原因存于errno中。

4.int execvp ( const char *file，char *const argv[]);
函数说明: execvp ( )会从 PATH 环境变量所指的目录中查找符合参数file 的文件名，找到后便执行该文件，然后将第二个参数argv传给该欲执行的文件。
返回值:如果执行成功则函数不会返回，执行失败则直接返回-1，失败原因存于errno中。
错误代码:请参考execve ()
 

5.int execve ( const char *filename，char *const argv [].char *const envp[]);

函数说明:execve ()用来执行参数filename字符串所代表的文件路径，第二个参数系利用指针数组来传递给执行文件，最后一个参数则为传递给执行文件的新环境变量数组。
返国值:如果执行成功则函数不会返回，执行失败则直接返回-1，失败原因存于errno
中。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc, char **argv)
{// 1.参数表直接写入，    以NULL结尾execl("./write1", "./write1", "hello", "world", NULL);// 2.参数表用指针数组的形式，    以NULL结尾char *arg1[] = {"./write2", "welcome", "zhaodeming", NULL};xecv("./write2", arg1);// 3.execlp("/home/zdm/241/PROCESS_CODE/write1", "./write1", "hello", "world", NULL);//execlp("./write1", "./write1", "hello", "world", NULL); // 也可以// 4.char *arg2[] = {"./write2", "welcome", "zhaodmeing", NULL};execvp("/home/zdm/241/PROCESS_CODE/write2", arg2);// 5.   e---环境变量char *env[] = {"USR=admin", "PASSWD=12345"};execve("/home/zdm/241/PROCESS_CODE/write2", arg2, env);printf("exce demo ok\n");
}

每个调用exec函数，会覆盖掉后面的代码

常常与fork函数联用：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc, char **argv)
{int count = 0;pid_t pid = fork();if (pid < 0) // 错误处理{perror("pid error");exit(-1);}if (pid > 0) // 父进程执行操作{execl("./write1", "./write1", "hello", "world", NULL);}if (pid == 0) // 子进程执行操作{char *arg1[] = {"./write2", "welcome", "zhaodeming", NULL};execvp("/home/zdm/241/PROCESS_CODE/write2", arg1);}return 0;
}

3.vfork    系统调用

对fork的改进对fork的改进更为彻底、简单粗暴
vfork是为子进程立即执行exec的程序而专设计的
无需为子进程复制虚拟内存页或页表，子进程直接共享父进程的资源，直到其成功执行exec或是调用exit退出
在子进程调用exec之前，将暂停执行父进程

子进程中无exec时，则先执行子进程，后执行父进程；

子进程有exec函数时，exec函数前的代码段先执行；执行到exec函数时候，父子进程调用顺序则又不确定（和fork一样）

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc, char **argv)
{int count = 0;pid_t pid = vfork();if (pid < 0){perror("pid error");exit(-1);}if (pid > 0){printf("%d\n",count);}if (pid == 0){//count++;      //尽量避免在子进程中修改全局变量，容易引发段错误；//exit(-1);     execl("./write1","./write1",NULL);}return 0;
}

4.system（const char*command）——库函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include<unistd.h>int main(int aargc, char **argv)
{system("./write1  system_using read");sleep(3);system("clear");sleep(3);system("ls -l");sleep(3);system("clear");sleep(3);return 0;
}

进程的退出

_exit——系统调用

更多用于异常退出；不会刷新stdio缓冲区；

exit——库函数

内部封装了_exit；会刷新stdio缓冲区；atexit/on_exit注册了退出管理程序，则应使用exit

正常退出：        main 调用return

异常退出：        1.任意地方调用exit/_exit；         2.被信号杀死；       3. 调用abort函数

abort函数

以异常方式结束进程：abort ( ）将引起进程异常的终止，此时所有已打开的文件流会自动关闭，所有的缓冲区数据也会自动写回。

进程等待

回收进程资源

进程运行终止后，不管进程是正常终止还是异常终止的，必须回收进程所占用的资源。如何查看进程资源?                                                       

————————ps命令

为什么要回收进程的资源?                       

————————不回收资源会导致系统性能下降

父进程运行结束时，会负责回收子进程资源

./a.out进程的父进程是谁?

0,1,2三个进程：OS启动后抑制默默运行，直到关机OS结束运行；

pid=0的进程，称作调度进程；

pid=1的进程，  1.init进程，跟前端用户做交互；2.托管孤儿进程；3.原始父进程（位于/sbin/init目录下，可以restart*stop）;

pid=2的进程；页精灵进程

僵尸进程和孤儿进程

僵尸进程：子进程终止后，父进程还在运行，那么在父进程没有回收子进程资源前，此时的子进程就是僵尸进程

孤儿进程：子进程还未结束，父进程先结束，子进程的资源无法回收，此时子进程就是孤儿进程

为了能够回收孤进程终止后的资源，孤儿进程会被托管给我们前面介绍的pid==1的init进程，每当被托管的子进程终止时，init会立即主动回收孤儿进程资源，回收资源的速度很快，所以孤儿进程没有变成僵尸进程的机会。
 

wait函数

只能父进程等待子进程

函数原型 pid_t wait(int status)

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid = fork();if (pid == 0){for (int i = 0; i < 3; ++i){printf("children aaa\n");sleep(1);}exit(3);}if (pid > 0){printf("parents is ok\n");// 1.获取子进程退出状态int ret;wait(&ret);int num = WEXITSTATUS(ret);printf("%d\n", ret);// 2.wait(NULL); // 阻塞，直到子进程结束，再执行下面代码}return 0;
}

waitpid函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>//父进程等子进程，子进程等子子进程
void die(const char *msg)
{perror(msg);exit(1);
}
void child2_do()
{printf("In child2: execute 'date'\n");sleep(5);if (execlp("date", "date", NULL) < 0){perror("child2 execlp");}
}
void child1_do(pid_t child2, char *argv)
{pid_t pw;do{if (*argv == '1'){pw = waitpid(child2, NULL, 0); // 一直等}else{pw = waitpid(child2, NULL, WNOHANG); // 立刻返回}if (pw == 0){printf("In child1 process:\nThe child2 process has not exited\n");sleep(1);}} while (pw == 0);if (pw == child2){printf("Get child2 %d.\n", pw);sleep(5);if (execlp("pwd", "pwd", NULL) < 0){perror("child1 execlp");}}else{printf("error occured!\n");}
}
void father_do(pid_t child1, char *argv)
{pid_t pw;do{if (*argv == '1'){pw = waitpid(child1, NULL, 0); // 一直等待}else{pw = waitpid(child1, NULL, WNOHANG); // 立刻返回}if (pw == 0){printf("In father process: \nThe child1 process has not exited.\n");sleep(1);}} while (pw == 0);if (pw == child1){printf("Get child1 %d.\n", pw);if (execlp("ls", "ls", "-l", NULL) < 0){perror("father execlp");}}else{printf("error occured ! \n");}
}
int main(int argc, char **argv)
{pid_t child1, child2;if (argc < 3){printf("Usage: waitpid [0 1] [0 1]\n");exit(1);}child1 = fork();if (child1 < 0){die("child1 fork");}else if (child1 == 0){child2 = fork();if (child2 < 0){die("child2 fork");}else if (child2 == 0){child2_do();}else{child1_do(child2, argv[1]);}}else{father_do(child1, argv[2]);}return 0;
}

当父进程没有调用waitpid或wait函数来回收子进程的终止状态时，子进程的终止状态信息将一直保留在系统的进程表中，并使子进程成为僵尸进程。僵尸进程不占用系统资源，但是如果产生大量的僵尸进程却没有及时回收，可能会导致系统资源被占用完。

通过在父进程中调用waitpid或wait函数，父进程会等待子进程的终止并回收其终止状态信息，从而防止子进程变成僵尸进程，并及时释放子进程占用的资源。这样可以保持系统的正常运行和资源的有效利用。