進程式控制制

来源:https://www.cnblogs.com/songhe364826110/archive/2019/08/29/11432253.html
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1. 程式和進程 什麼是程式？什麼是進程？ 程式是電腦存儲系統中的數據文件，如源代碼程式和可執行程式 進程是程式關於某個數據集合的一次運行活動，是程式執行後得到的一個實體 在當代操作系統中，進程是資源分配的基本單位 程式和進程有什麼聯繫？ 沒有程式就沒有進程；但有了程式，未必就會有進程，如程式不運 ...


1. 程式和進程

什麼是程式？什麼是進程？

  • 程式是電腦存儲系統中的數據文件，如源代碼程式和可執行程式
  • 進程是程式關於某個數據集合的一次運行活動，是程式執行後得到的一個實體
  • 在當代操作系統中，進程是資源分配的基本單位

程式和進程有什麼聯繫？

  • 沒有程式就沒有進程；但有了程式，未必就會有進程，如程式不運行、程式本身是動態庫等
  • 一個程式可能對應多個進程，如記事本程式多次運行，產生多個記事本進程
  • 一個進程可能包含多個程式，如一個程式依賴多個動態庫，每個動態庫都是一個程式

2. 進程狀態

進程三態模型：就緒、阻塞、運行。

  • 就緒：進程已經做好了一切準備，一旦得到CPU，就會開始運行
  • 阻塞：進程正在等待某一事件發生（如共用資源被釋放、IO完成）而停止運行，在事件發生前，即使得到CPU也無法運行
  • 運行：進程擁有CPU控制權，並正在運行

進程五態模型：與三態模型相比，多了新建、終止兩種狀態。

  • 新建：進程還未創建完畢，不能被系統調度
  • 終止：進程已結束運行，正在回收系統資源

3. 進程標識

每個進程都有一個非負整數的進程ID（pid），作為識別不同進程的唯一標識。
此外，每個進程還有一些其他標識符，包括父進程ID（ppid）、實際用戶ID（uid）、有效用戶ID（euid）、實際組ID（gid）、有效組ID（egid）。

#include <unistd>

pid_t getpid();   //返回值：調用進程的進程ID
pid_t getppid();  //返回值：調用進程的父進程ID
uid_t getuid();   //返回值：調用進程的實際用戶ID
uid_t geteuid();  //返回值：調用進程的有效用戶ID
uid_t getgid();   //返回值：調用進程的實際組ID
uid_t getegid();  //返回值：調用進程的有效組ID

4. 進程創建

一個現有的進程可以調用fork函數創建一個新進程，這個新進程叫做子進程，調用fork的進程叫做父進程。

  • 子進程獲得父進程數據空間、堆、棧的副本
  • 父進程和子進程共用代碼段、文件描述符和文件偏移量
#include <unistd.h>

pid_t fork();  //若成功：子進程返回0，父進程返回子進程ID；若出錯，返回-1

fork的特點為：一次調用，兩次返回。

  • 父進程返回子進程ID的原因：父進程可以有多個子進程，但父進程不能通過函數獲得其所有子進程的ID，因為沒有這樣的函數
  • 子進程返回0的原因：一個進程只會有一個父進程，並且子進程還可以調用getppid獲得其父進程ID

fork有以下兩種用法：

  • 父進程和子進程同時執行不同的代碼段
  • 子進程從fork返回後立即調用exec，執行另一個不同的程式

fork成功返回後，父進程和子進程繼續執行後面的代碼，但父子進程誰先執行，這點是不確定的。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int globvar = 10;

int main()
{
    int var = 5;

    pid_t pid = fork();

    if (pid > 0)
    {
        sleep(2); //父進程休眠2秒，讓子進程先運行
    }
    else if (pid == 0)
    {
        globvar++;
        var++;
    }

    printf("pid = %d, globvar = %d, var = %d\n", getpid(), globvar, var);

    return 0;
}

5. 進程終止

正常終止方式：

  • 從main函數return
  • 調用exit()、_Exit()、_exit()（對於linux，後兩個函數是同義的）
  • 進程的最後一個線程在其啟動常式中調用return或pthread_exit()

異常終止方式：

  • 調用abort()以產生SIGABRT信號
  • 進程接收到某些信號
  • 進程的最後一個線程對pthread_cancel()請求做出響應

6. 避免僵屍進程

僵屍進程的產生與危害

  • 一個已經終止、但是其父進程尚未對其進行善後處理的進程，稱為僵屍進程
  • 子進程退出時，內核會釋放它占用的記憶體等資源，但是仍然保留了一些信息，如進程ID
  • 內核為終止子進程保留的信息直到父進程調用wait或waitpid時才會釋放
  • 如果父進程沒有調用wait或waitpid，那麼已經終止的子進程就會變成僵屍進程，其占用的進程ID會無法釋放
  • 大量的僵屍進程可能會使系統沒有可用的進程ID，從而導致系統無法創建新進程

wait函數

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status); //成功返回終止子進程ID，失敗返回-1

當在父進程中調用了wait時：

  • 如果所有子進程都還在運行，則父進程阻塞
  • 如果有任意子進程終止，則取得其終止狀態並立即返回
  • 如果父進程沒有子進程，則立即出錯返回

如果wait的參數status不為NULL，那麼子進程的終止狀態就存放在它指向的記憶體中，如果不關心終止狀態，可以將status指定為NULL。

waitpid函數

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); //成功返回終止子進程ID，失敗返回-1或0

waitpid的第二個參數status用法和wait一樣，但waitpid相比於wait的不同之處在於：

  • 當pid > 0時，waitpid可以等待由pid指定的特定子進程
  • 當options == WNOHANG時，若pid指定的子進程尚未終止，waitpid不會阻塞，而是立即返回0
  • 當pid == -1 && options == 0時，waitpid等價於wait

雖然waitpid可以實現非阻塞版本的wait，但也存在一個缺陷：如果子進程在父進程waitpid(pid, NULL, WNOHANGE)之後才終止，那麼即使父進程尚未結束，也不會給子進程收屍，也就是說，終止的子進程會一直處於僵屍進程狀態，直到父進程退出。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{    
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        sleep(2); //確保父進程執行waitpid時子進程還在休眠
        printf("child %d exit\n", getpid());  
        exit(0);      
    }
        
    if (waitpid(pid, NULL, WNOHANG) == 0)
    {
        printf("waitpid return before child exit\n");
    }
    
    sleep(300);   //雖然waitpid不阻塞，但在父進程終止前，子進程pid會一直是僵屍進程
        
    return 0;
}

如果既要保證父進程不阻塞等待子進程終止，也不希望子進程處於僵屍狀態直到父進程終止，可以採用調用兩次fork的訣竅，其核心思路為：

  • 進程A調用fork產生子進程B，然後立即調用waitpid(pid, NULL, 0)，等待進程B終止
  • 進程B再次調用fork產生子進程C，然後立即調用exit(0)終止（必須確保進程B在進程C之前終止）
  • 進程A隨即解除waitpid阻塞，對進程B收屍處理
  • 由於父進程提前終止，進程C由init收養，其終止時也會由init收屍
  • 此時，進程A和進程C就成為相互獨立、互不幹擾的兩個進程，兩者各司其職，分別執行不同的處理
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        if ((pid = fork()) > 0)
        {
            exit(0); //子進程B再次調用fork後立即終止，只留下孫子進程C
        }
        
        /*孫子進程C由init進程收養*/
        sleep(2);
        printf("I'm second child %d, my parent bacomes %d\n", getpid(), getppid());
        
        exit(0);
    }
    
    printf("I'm parent %d\n", getpid());
    
    if (waitpid(pid, NULL, 0) == pid) //父進程A立即調用waitpid等待子進程B終止
    {
        printf("first child %d exit\n", pid);
    }
    
    /*此時，進程A和進程C之間就沒有了繼承關係，兩者相互獨立，互不幹擾，各司其職*/
    
    sleep(300);
    
    return 0;
}

從上圖執行結果可以看出：

  • 進程B（pid=9293）已經在進程列表中找不到了，說明已經被收屍處理了，沒有產生僵屍進程
  • 進程C（pid=9294）也不在進程列表中了，說明其終止後由init收屍處理了，也沒有產生僵屍進程

7. exec函數族

exec函數及使用規則

上面提到過fork的兩種用法，其中一種是“子進程從fork返回後立即調用exec，執行另一個不同的程式”。

  • 當進程調用exec函數時，其執行的程式將完全替換為exec指定的新程式，而新程式則從其main()開始執行。
  • 因為exec並不創建新進程，所以替換前後的進程ID不會改變，exec只是用磁碟上的一個新程式替換了調用進程的代碼段、數據段和堆棧。

有7個不同的exec函數可供使用，它們統稱為exec函數族，可以根據需要調用這7個函數中的任意一個。

#include <unistd.h>

/*7個函數返回值均為：若成功，不返回；若失敗，返回-1*/

//以路徑名為參數
int execl(const char *path, const char *arg0, ... /*, (char *)0 */);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execle(const char *path, const char *arg0, ... /*, (char *)0, char *const envp[]*/);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

//以文件名為參數
int execlp(const char *file, const char *arg0, ... /*, (char *)0 */);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

//以文件描述符為參數
int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const envp[]);

這些函數的命名是有規律的：exec[必選：l or v][可選：p or e]（fexecve作為特例單獨拎出來）
這些函數的參數用於指定新程式的相關信息，分為3部分：可執行程式、命令行參數、環境變數，具體使用規則為：
【必選項l or v】

  • 帶l，各個命令行參數必須以','間隔，最後一個命令行參數必須是NULL
  • 帶v，需要將l後續的各個命令行參數（包括最後的NULL）構造成一個指針數組，然後以該指針數組作為參數

【可選項p】

  • 不帶p，以可執行程式的路徑名path作為參數
  • 帶p，以可執行程式的文件名file作為參數，如果file中包含/，則視作路徑名，否則從PATH環境變數指定的目錄中搜索可執行程式

【可選項e】

  • 不帶e，複製調用進程的環境變數給新程式使用
  • 帶e，需要傳遞環境變數給新程式使用

【fexecve特例】

  • 尾碼ve含義和上面一樣
  • 首碼f代表新程式由文件描述符fd指定

exec函數使用示例

/* filename - execl.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execl("/bin/echo", "echo", "executed by execl", NULL);
    }
    
    waitpid(pid, NULL, 0);
    
    return 0;
}
/* filename - execv.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *execv_argv[] = 
{
    "echo",
    "executed by execv",
    NULL
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {      
        execv("/bin/echo", execv_argv);
    }
    
    waitpid(pid, NULL, 0);
    
    return 0;
}
/* filename - execlp.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {       
        execlp("echo", "echo", "executed by execlp", NULL);
    }
    
    waitpid(pid, NULL, 0);
    
    return 0;
}
/* filename - execvp.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *execvp_argv[] = 
{
    "echo",
    "executed by execvp",
    NULL
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execvp("echo", execvp_argv);
    }
    
    waitpid(pid, NULL, 0);
    
    return 0;
}
/* filename - execle.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *env[] = 
{
    "PATH=/home/delphi",
    "USER=execle",
    NULL
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execle("/usr/bin/env", "env", NULL, env);
    }
    
    waitpid(pid, NULL, 0);
    
    return 0;
}
/* filename - execve.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

char *execve_argv[] = 
{
    "env",
    NULL
};

char *env[] = 
{
    "PATH=/home/delphi",
    "USER=execve",
    NULL
};

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0)
    {
        execve("/usr/bin/env", execve_argv, env);
    }
    
    waitpid(pid, NULL, 0);
    
    return 0;
}

8. system函數

#include <stdlib.h>

int system(const char *command);

system返回值

在Unix系統中，system在其內部實現調用了fork、exec和waitpid，因此有3種返回值。

  • 如果fork失敗，或者waitpid返回除EINTR之外的錯誤，則system返回-1，並且設置errno以指示錯誤類型
  • 如果exec失敗，比如被信號中斷，或者command命令不存在，system返回127
  • 如果fork、exec和waitpid都成功，system的返回值是shell的終止狀態，即command通過exit或return返回的值

下麵通過一個system的簡易實現，來幫助理解該函數的返回值。

int system(const char * cmdstring)
{
    pid_t pid;
    int status;

    if (cmdstring == NULL)
    {
        return (1); //如果cmdstring為空，返回非零值，一般為1
    }

    if ((pid = fork()) < 0)
    {
        status = -1; //fork失敗，返回-1
    }
    else if (pid == 0)
    {
        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *)0);
        _exit(127); // exec執行失敗返回127，註意exec只在失敗時才返回現在的進程，成功的話現在的進程就不存在啦~~
    }
    else //父進程
    {
        while (waitpid(pid, &status, 0) < 0)
        {
            if (errno != EINTR)
            {
                status = -1; //如果waitpid被信號中斷，則返回-1
                break;
            }
        }
    }

    return status; //如果waitpid成功，則返回子進程的返回狀態
}

仔細看完這個system函數的簡單實現，該函數的返回值就清晰了吧，那麼什麼時候system()返回0呢？答案是只在command命令返回0時。

system使用示例

#include <stdlib.h>

int main()
{
    system("ls -l");
    system("cat func.c");    
    system("gcc -o func.out func.c");
    system("ls -l");
    system("echo main.out begin system func.out");
    system("./func.out");
    
    return 0;
}


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