Linux系统编程之进程

目录

1、进程关键概念

1.什么是程序，什么是进程，有什么区别

2.如何查看系统中有那些进程

3.什么是进程标识符

4.什么叫父进程，什么叫子进程

5.C语言的存储空间是如何分配的

2、进程创建

1.fork函数创建进程

2.vfork函数创建进程

3、进程退出

1.正常退出

2.异常退出

3.退出状态

4、等待子进程

1.wait函数

2.waitpid函数

3.孤儿进程

5、exec族函数

1.exec族函数的作用

2.exec族函数

3.代码说明

4.补充说明

1.perror函数 

2.whereis命令

 3.pwd命令

4.date命令

5.echo $PATH

6.export PATH=$PATH:......

6、system函数

1.system函数的作用

2.示例 ：

7、popen函数

1.函数的作用

2.函数的具体运用

 3.示例：

1、进程关键概念

1.什么是程序，什么是进程，有什么区别

程序是静态的概念比如我们平时使用的qq、微信等都是程序，进程是程序的一次运行活动。一般来说我们的程序跑起来了，系统中就会相应的产生一个或多个进程

2.如何查看系统中有那些进程

1.使用ps指令查看

在实际应用中通常配合grep来查看程序中是否存在某一个进程

例：ps -aux|grep a 这里就会列举出含a的进程grep起到了过滤作用

2.使用top指令查看，top指令类似于Windows里的任务管理器

3.什么是进程标识符

每一个进程都有一个非负整数表示的唯一id，叫做pid，类似于我们的身份证

pid=0；称为交换进程（swapper）作用：进程调度

pid= 1；initial进程，作用：系统初始化

编程调用getpid函数获取自身的进程标识符，getppid是获取父进程的进程表示符

4.什么叫父进程，什么叫子进程

进程a创建了进程b，那么a进程就是父进程b进程就是子进程，父子进程是相对的概念

5.C语言的存储空间是如何分配的

1. 代码区（Text Segment）：

   • 存储程序的机器代码，即编译后的可执行文件。
   • 通常是只读的，防止程序意外修改自身的指令。
   • 包含函数的二进制表示。

2. 数据区（Data Segment）：

   • 存储全局变量、静态变量和常量。
   • 包括已初始化数据区（Initialized Data Segment）和未初始化数据区（BSS段）。
   • 已初始化数据区存储已经明确赋值的全局变量、静态变量和常量。
   • 未初始化数据区存储未被明确赋值的全局变量和静态变量，这部分数据在程序运行前会被初始化为零。

3. 堆区（Heap）：

   • 用于动态内存分配，例如通过 malloc、calloc、realloc 等函数分配的内存。
   • 堆的大小和位置可以在运行时动态改变。
   • 需要程序员手动管理分配和释放内存，否则可能导致内存泄漏或悬挂指针等问题。

4. 栈区（Stack）：

   • 用于存储函数的局部变量、函数参数、返回地址和函数调用的上下文信息。
   • 每个函数调用都会在栈上分配一块内存，该块在函数返回时会被释放。
   • 栈是一个后进先出（LIFO）的数据结构，通过栈指针（Stack Pointer）来管理。

2、进程创建

父进程与子进程是交替运行的，谁先谁后是由进程调度决定的，在 fork 之后，父进程和子进程会共享相同的代码段、数据段和堆，但各自有独立的栈。当父进程或者子进程需要修改某一处时，系统就会为子进程分配相应的空间(写拷贝)

1.fork函数创建进程

pid_t fork(void);

返回值：

1.返回正数，当前运行的是父进程，返回值就是子进程的pid

2.返回负数，表示调用失败

3.返回0，当前运行的是子进程

2.vfork函数创建进程

pid_t vfork(void);

fork与vfork的区别

1.vfork 直接使用父进程存储空间，不拷贝。

2.vfork保证子进程先运行,当子进程调用exit退出后，父进程才执行。

 创建子进程的一般目的：一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。这在网络服务进程中是常见的——父进程等待客户端的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用fork，创建一个子进程来处理此请求，父进程则继续等待下一个服务请求到达。还有就是一个进程需要执行一个不同的程序时。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main() {// 获取当前进程的PID（进程ID）int pid = getpid();printf("pid = %d\n", pid);// 创建子进程int fork_pid = fork();// 根据fork的返回值判断当前是父进程还是子进程if (fork_pid > 0) {// 父进程while (1) {// 打印父进程和子进程的PIDprintf("pid = %d fork_pid = %d \n", pid, fork_pid);sleep(3); // 休眠3秒}} else if (fork_pid == 0) {// 子进程while (1) {// 打印子进程的PID（子进程内通过getpid获取）// 注意：这里的fork_pid是0，因为在子进程中fork返回0printf("pid = %d fork_pid = %d \n", getpid(), fork_pid);sleep(3); // 休眠3秒}}return 0;
}

3、进程退出

1.正常退出

1.main函数调用return

2.进程调用exit()，标准c库

3.进程调用_exit()或者_Exit()，属于系统调用

补充：进程最后一个线程返回，最后一个线程调用pthread_exit

exit()是对系统调用的封装，调用时会对进程运行产生的缓冲区的内容进行处理再退出，而_exit()是直接退出不处理

2.异常退出

1.调用abort函数使进程异常退出

2.当进程收到某些信号时，如ctrl+c

3.最后一个线程对取消（cancellation）请求做出响应

3.退出状态

不管进程如何终止，最后都会执行内核中的同一段代码。这段代码为相应进程关闭所有打开描述符，释放它所使用的存储器等。一般来说我们都希望终止的进程能够通知父进程它是如何终止的。对于三个终止函数（exit、_exit、_Exit），实现这一点的方法是，将其退出状态作为参数传递给函数。在异常终止情况下，内核（不是进程本身）产生一个指示其异常终止原因的终止状态。在任意一种情况下，该终止进程的父进程都能通过wait或waitpid函数取得其终止状态。

4、等待子进程

父进程等待子进程退出，并收集进程的退出状态

若是子进程退出状态不被收集，就会变成僵尸进程

1.wait函数

pid_t wait(int *status);阻塞等待

参数：

非空：子进程退出状态放在它所指的地址中

空：不关心退出状态

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int con = 0;int pid1 = getpid();int fork_pid = fork();int pid2 = getpid();int status;if(pid1 == pid2){wait(&status);printf("%d\n",status);printf("status = %d\n",WEXITSTATUS(status));while(1){printf("pid1 = %d , pid2 = %d , fork_pid = %d \n",pid1,pid2,fork_pid);sleep(1);}}else if(pid1 != pid2){while(1){printf("pid1 = %d , pid2 = %d , fork_pid = %d \n",pid1,pid2,fork_pid);con++;sleep(1);if(con == 5){exit(33);}}}return 0;
}

2.waitpid函数

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);可以设置成不阻塞等待，但是还是会存在僵尸进程

参数一：

pid==-1 等待任一子进程。就这方面而言，waitpid与wait等效

pid>0等待其进程ID与pid相等的子进程

pid==0等待其组ID等于调用进程组id的任一子进程

pid<-1等待其组ID等于pid绝对值的任一子进程

3.孤儿进程

父进程如果不等待子进程退出，在子进程之前就结束了自己的“生命”，此时子进程叫做孤儿进程，Linux避免系统存在过多孤儿进程，init进程会收留孤儿进程，变成孤儿进程的父进程。 

5、exec族函数

1.exec族函数的作用

我们在用fork函数创建子进程后，经常会在新进程中调用exec族函数去执行另外一个程序。当调用exec族函数时，该进程会完全替换为一个新的程序。但是由于exec族函数不会创建新的进程，所以进程的pid并没有改变

当调用 exec 函数时，当前进程的代码、数据和堆栈都被新程序的代码、数据和堆栈所替代。因此，exec 函数族在当前进程的上下文中加载新的程序，而不是创建一个全新的进程。这是 exec 函数族与 fork 函数（用于创建新进程）不同的地方。

2.exec族函数

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg,..., 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[]);

返回值：

exec族函数的函数执行成功后不会返回，调用失败时，会设置errno（失败码）并返回-1，然后从原程序的调用点接着往下执行

设置的errno（失败码）可以通过perror()函数来打印函数失败的原因

参数说明：
path：可执行文件的路径
arg：可执行程序所带的参数，第一个参数为可执行文件名字，没有带路径且arg必须以NULL结束
file：如果参数file中包含/，则就将其视为路径名，否则就按 PATH环境变量，在它所指定的各目录中搜寻可执行文件。

exec族函数参数极难记忆和分辨，函数名中的字符会给我们一些帮助：
l : 使用参数列表
p：使用文件名，并从PATH环境进行寻找可执行文件
v：应先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组的地址作为这些函数的参数。
e：多了envp[]数组，使用新的环境变量代替调用进程的环境变量

3.代码说明

execl的使用

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{while(1){int pid = fork();if(pid == 0){printf("子进程\n");execl("./zombie01","./zombie01",NULL);}else if(pid > 0){sleep(1);printf("父进程\n");}else{printf("fork no !!!\n");perror("fork");}}return 0;
}

 与下面的execlp做对比

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int dis = execl("/bin/ps","ps",NULL);if(dis == -1){printf("no no no !!!\n");perror("why");}
}

execlp的使用

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{printf("exec init \n");if(execlp("ps","ps",NULL)==-1){printf("exec  = -1\n");}return 0;
}

execv的使用

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{char *argv[] = {"ls","-l"};if(execv("/bin/ls",argv)==-1){printf("execv no\n");perror("execv");}return 0;
}

4.补充说明

1.perror函数 

perror 函数是一个 C 标准库中的函数，用于将与当前 errno 值相关联的错误消息输出到标准错误流（stderr）

函数原型

void perror(const char *s);

s: 一个字符串，用于在输出错误消息之前打印。通常是程序名或者与错误相关的描述性信息。

perror 会根据 errno 的值输出相应的错误消息。通常在执行系统调用或库函数失败时，errno 会被设置为指示错误的特定代码。

2.whereis命令

whereis命令行工具

用于定位程序的可执行文件、源代码和帮助文档

选项:

• -b: 查找可执行文件。
• -m: 查找帮助手册。
• -s: 指定路径前缀

例如whereis ls

将返回与 ls 相关的信息，包括可执行文件、源代码文件和帮助文档的路径。

注意，whereis 通常用于系统管理员或高级用户，它在不同的系统中可能有不同的行为。在某些系统上，它可能无法找到所有文件，因为它依赖于系统数据库。另外，如果你只想查找可执行文件的位置，你可能更喜欢使用 which 命令

 3.pwd命令

显示当前工作目录的路径

4.date命令

获取当前系统时间

5.echo $PATH

输出系统中设置的 PATH 环境变量的值

6.export PATH=$PATH:......

修改环境变量PATH里的值，$PATH只是表示原先的环境变量，路径之间用':'号隔开后面是需要添加的环境变量

6、system函数

1.system函数的作用

system函数，用于在一个新的进程中执行命令。这个函数会调用系统的 shell 来执行指定的命令。system函数会自己创建一个进程来执行可执行文件或命令，当运行完之后再运行父进程

大致的流程如下：

1. system 函数调用 fork 来创建一个新的子进程。
2. 在子进程中，调用 exec 函数来执行指定的命令。
3. 父进程等待子进程的完成，并获取子进程的退出状态。

函数原型

int system(const char *command);
参数command: 要执行的命令字符串

返回值

• 如果命令成功执行，system返回一个表示退出状态的值。
• 如果调用系统 shell 失败或命令无法执行，则返回 -1。

2.示例 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{printf("exec init \n");if(system("ps")==-1){printf("exec  = -1\n");perror("system");}return 0;
}

在上述例子中，system("ps") 将调用系统的 shell 来执行 "ps" 命令。system函数会等待命令执行完成，然后返回命令的退出状态。如果调用失败，返回 -1。

需要注意的是，system函数的使用可能存在安全风险，特别是在处理用户输入时。如果你需要更加精细的控制和错误处理，可能需要使用更底层的函数，比如 fork 和 exec 组合。

这里可以看一下system的源码

system()函数功能强大，我们直接看linux版system函数的源码：
代码:#include
#include
#include
#includeint system(const char * cmdstring)
{pid_t pid;int status;if(cmdstring == NULL){      return (1);}if((pid = fork())<0){status = -1;}else if(pid == 0){execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *)0);-exit(127); //子进程正常执行则不会执行此语句}else{while(waitpid(pid, &status, 0) < 0){if(errno != EINTER){status = -1;break;}}}return status;
}

7、popen函数

1.函数的作用

popen函数用于创建一个管道并打开一个新的进程或命令。它允许在一个进程中执行一个命令，并通过文件流进行输入和输出。popen返回一个文件指针，可以用于读取命令的输出或向命令传递输入

2.函数的具体运用

popen 会创建一个子进程来执行指定的命令。popen的工作机制涉及到使用 fork 创建一个子进程，然后在子进程中使用 exec 系列函数执行指定的命令。具体来说，popen会创建一个管道，并调用 fork 来创建一个子进程。在子进程中，通过调用 exec 函数来执行指定的命令，这就替换了子进程的映像为要执行的命令。父进程则可以通过管道与子进程通信，可以读取或写入子进程的标准输入和标准输出。在子进程执行完毕后，popen 会关闭相关的管道并等待子进程的结束。然后它会返回一个文件指针，通过这个文件指针你可以读取或写入子进程的标准输出或标准输入。

函数原型

FILE *popen(const char *command, const char *mode);

参数:

• command: 要执行的命令字符串。
• mode: 打开文件的模式，可以是 "r"（读取）或 "w"（写入）。

返回值:

• 如果成功，返回一个指向文件的指针。
• 如果失败，返回 NULL

 3.示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main() {char dis[10240] = {0}; // 存储命令输出的缓冲区FILE *file = NULL; // 文件指针用于处理命令输出流// 使用popen打开一个管道并执行 "ls -l" 命令file = popen("ls -l", "r");if (file == NULL) {perror("popen");return -1;}// 读取命令输出到缓冲区，并获取读取的字节数，size_t无符号的整形size_t bytesRead = fread(dis, 1, sizeof(dis) - 1, file);if (bytesRead > 0) {dis[bytesRead] = '\0'; // 在读取的字符串后添加字符串结束符，%z通常用于表示 size_t 类型的值printf("Read %zu bytes:\n%s\n", bytesRead, dis);} else {printf("读取失败.\n");}// 关闭文件指针，等待子进程结束pclose(file);return 0;
}