Linux中并发程序设计(进程的创建和回收、exec函数使用)

进程的创建和回收

进程概念

• 概念
  程序
  存放在磁盘上的指令和数据的有序集合（文件）
  静态的
  进程
  执行一个程序所分配的资源的总称
  动态的
• 进程和程序比较
  
  注：进程是存在RAM中，程序是存放在ROM(flash)中的
• 进程内容
  BSS段：存放程序中未初始化的全局变量
  数据段：已初始化的全局变量，static声明的变量
  代码段：程序执行代码
  堆（heap）：malloc等函数分配内存
  栈(stack)：局部变量，函数参数，函数的返回值
  进程控制块（pcb)：PID， 进程优先级，文件描述符表
• 进程控制块
  进程标识PID、进程用户、进程状态、优先级、文件描述符表
• 进程类型
  交互进程：在shell下启动，在前台后台运行
  批处理进程：和在终端无关，被提交到一个作业队列中以便顺序执行
  守护进程：和终端无关，一直在后台运行
• 进程状态
  运行态、等待态、停止态、死亡态：
  

进程常用命令

• 查看进程信息
  ps 查看系统进程快照
  top 查看进程动态信息
  /proc 查看进程详细信息
• 执行命令如下：
  ps：当前shell显示
  
  ps -e ：所有进程显示
  
  ps -el：是显示详细信息
• 具体命令参数信息如下：
  ps 命令详细参数：
  -e：显示所有进程
  -l：长格式显示更加详细的信息
  -f 全部列出，通常和其他选项联用
  表头 含义
  F 进程标志，说明进程的权限，常见的标志有两个:
  1：进程可以被复制，但是不能被执行；
  4：进程使用超级用户权限；
  S 进程状态。进程状态。常见的状态有以下几种：
  1. -D：不可被唤醒的睡眠状态，通常用于 I/O 情况。
  2. -R：该进程正在运行。
  3. -S：该进程处于睡眠状态，可被唤醒。
  4. -T：停止状态，可能是在后台暂停或进程处于除错状态。
  5. -W：内存交互状态（从 2.6 内核开始无效）。
  6. -X：死掉的进程（应该不会出现）。
  7. -Z：僵尸进程。进程已经中止，但是部分程序还在内存当中。
  8. -<：高优先级（以下状态在 BSD 格式中出现）。
  9. -N：低优先级。
  10. -L：被锁入内存。
  11. -s：包含子进程。
  12. -l：多线程（小写 L）。
  13. -+：位于后台。
      UID 运行此进程的用户的 ID；
      PID 进程的 ID；
      PPID 父进程的 ID；
      C 该进程的 CPU 使用率，单位是百分比；
      PRI 进程的优先级，数值越小，该进程的优先级越高，越早被 CPU 执行；
      NI 进程的优先级，数值越小，该进程越早被执行；
      ADDR 该进程在内存的哪个位置；
      SZ 该进程占用多大内存；
      WCHAN 该进程是否运行。"-"代表正在运行；
      TTY 该进程由哪个终端产生；
      TIME 该进程占用 CPU 的运算时间，注意不是系统时间；
      CMD 产生此进程的命令名；
• 实时查看进程命令如下：
  top 查看进程动态信息
  shift +> 后翻页
  shift +< 前翻页
  top -p PID 查看某个进程
• 改变进程优先级
  nice 按用户指定的优先级运行进程
  nice [-n NI值] 命令
  NI 范围是 -20~19。数值越大优先级越低
  普通用户调整 NI 值的范围是 0~19，而且只能调整自己的进程。
  普通用户只能调高 NI 值，而不能降低。如原本 NI 值为 0，则只能调整为大于 0。
  只有 root 用户才能设定进程 NI 值为负值，而且可以调整任何用户的进程。
  renice 改变正在运行进程的优先级
  renice [优先级] PID
• 设置优先级案例如下：
  
• 改变优先级案例如下：
  
• 进程相关命令
  jobs 查看后台进程
  bg 将挂起的进程在后台运行
  fg 把后台运行的进程放到前台运行
  ctrl + z 把运行的前台进程转为后台并停止
• 案例代码如下：
  编写一个.c文件，然后调用一个简单的sleep函数后，执行test后在另一个端口查看进程如下：
  
  注：上述是在运行函数后，按ctrl + Z使其进程进入停止状态T

创建子进程

• 子进程概念
  子进程为由另一个进程(对应称之为父进程)所创建的进程，实际上你在linux中写程序都是别人创建的，比如运行.test文件时，就是shell的子进程
• 子进程创建-fork
  #include <unistd.h>
  pid_t fork(void);
  创建新的进程，失败时返回-1
  成功时父进程返回子进程的进程号，子进程返回0
  通过fork的返回值区分父进程和子进程
• 创建子进程案例如下：
  
  注：创建子进程时虽然会复制父进程的代码，但是不会从头开始执行，而是从创建fork函数下方的时候执行，所以子进程没有赋予相应的进程号，但是系统默认给了0，下面图片显示得很清楚
  
  要点：1 子进程只执行fork之后的代码
  父子进程执行顺序是操作系统决定的。
• 父子进程
  子进程继承了父进程的内容
  父子进程有独立的地址空间，互不影响
  若父进程先结束
  子进程成为孤儿进程，被init进程收养
  子进程变成后台进程
  若子进程先结束
  父进程如果没有及时回收，子进程变成僵尸进程
• 父子进程案例如下：
  
• 运行如下：
  
  注：可以得出父子进程没有什么特定的关系，是系统随机调用的
• 通过父进程号看出子进程和父进程
  
• 在用kill -9 杀死父进程，然后可以发现子进程的父进程PPID变成1，也就是init进程中，然后另一个终端ctrl + c结束不掉，说明以及变为后台进程了
  
  注：有些新版的ubuntu系统子进程可能被其他进程领养，例如：systemd作为最新的初始化系统（init）来提高系统的启动速度。这和进程1的init是一个道理不要疑惑。

子进程进阶例题

• 一个父进程拥有五个子进程，代码如下：
• 运行结果如下：
  
  注：可以看出出现了孙进程的情形，因为上述代码中for循环语句，使子进程执行完fork函数下面的语句后，由于for内部是一个循环语句，因此子进程也执行了一次fork函数所以出现孙进程的情形
• 解决办法如下：
  
  注：在子进程语句中末尾加入break即可

进程的退出

• 进程结束-exit/_exit
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  void exit(int status);
  void _exit(int status);//不刷新流缓冲区
  结束当前的进程并将status返回
  exit结束进程时会刷新(流)缓冲区
  return 和exit的区别
  main函数结束时会隐式地调用exit函数，普通函数return是返回上一级。
• 案例如下：
  
• 执行如下：
  
  注：这里要注意exit(0)相当于return 0，所以printf(“after exit”)不会被调用，因此终端上不显示，而且不要以为return在任何情况下都会隐式调用exit，只有main函数下才会调用exit，要牢记！

进程的回收

• 进程回收-wait
  #include <unistd.h>
  pid_t wait(int *status);
  成功时返回回收的子进程的进程号；失败时返回EOF
  若子进程没有结束，父进程一直阻塞
  若有多个子进程，哪个先结束就先回收
  status 指定保存子进程返回值和结束方式的地址
  status为NULL表示直接释放子进程PCB,不接收返回值
• 例子代码如下：
  
  注：因为status里面包含地址和进程返回值，不能直接输出，需要通过宏来判断
• 执行后使用ps查看进程的状态，看是否由僵尸进程，也就是判断exit是否收回子进程，如下：
  
• 查看注释wait那两行后的ps状态如下：
  
  注：可以看出多出一个wait僵尸进程(即僵尸进程)
• 进程回收-waitpid
  #include <unistd.h>
  pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int option);
  参数：
  pid：
  pid>0时，只等待进程ID等于pid的子进程，不管其它已经有多少子进程运行结束退出了，只要指定的子进程还没有结束，waitpid就会一直等下去。
  pid=-1时，等待任何一个子进程退出，没有任何限制，此时waitpid和wait的作用一模一样。
  pid=0时，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不会对它做任何理睬。
  pid<-1时，等待一个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：
  options提供了一些额外的选项来控制waitpid，目前在Linux中只支持WNOHANG和WUNTRACED两个选项，这是两个常数，可以用"|"运算符把它们连接起来使用
  WNOHANG ：若由pid指定的子进程未发生状态改变(没有结束)，则waitpid()不阻塞，立即返回0
  WUNTRACED： 返回终止子进程信息和因信号停止的子进程信息
  wait(wait_stat) 等价于waitpid(-1,wait_stat,0)
• 案例如下：
  
  注：ps查看进程后也是回收的，也可以将-1改为pid，因为上面代码只有一个子进程
• 有一个案例要注意下如下：
  
• 执行如下：
  
  注：可以得出在休息1s后下面的waitpid先执行，然后WNOHANG的话上述也有解释，若pid进程未发生状态改变返回0，状态值也返回异常，那么如何解决这个问题呢，如下
• 修改后代码代码如下：
  
• 修改如下：
  
  注：可以发现修改完成