C/C++教程
ch3进程学习笔记
知识点归纳
进程是对映像的执行
系统资源包括内存空间、I/O设备、CPU
PCB进程控制块，PROC结构体
简易的PROC：
typedef struct proc{
struct proc *next; // next proc pointer
int *ksp; // saved sp: at byte offset 4
int pid; // process ID
int ppid; // parent process pid
int status; // PROC status=FREE|READY, etc.
int priority; // scheduling priority
int kstack[1024]; // process execution stack
}PROC;
- ksp 保存堆栈指针，以便进程恢复。当进程放弃CPU时，会将上下文保存在堆栈中。
- pdi 进程id编号
- ppid 父进程id编号
- status 进程当前状态
- priority 进程调度优先级
- kstack[1024]进程执行时的堆栈
睡眠模式，应该就是阻塞
进程被阻塞之后，放弃CPU，转交给进程调度，自己等待资源满足后被唤醒
唤醒操作
被唤醒的进程只是进入就绪状态，进入就绪队列，是否运行还要看进程调度
fork函数（最有收获）
返回值：子进程中返回0 ，父进程中返回子进程id，错误返回-1
fork()之前的代码，子进程无法执行。
fork()之后的代码，子进程有，并且可以执行。
既然如此，那子进程和父进程在fork()之后的行为，岂不是一模一样？
没错，相当于一份代码，控制两个不同进程，进行不同的行为，所以需要用到分支语句，再加上fork()函数在两个进程中不同的返回值，让父子进程进入相同代码的不同分支中执行。
那如果要创建多个子进程呢？
首先，比如要创建5个子进程，直接写一个五次的循环是不行的，因为子进程也会执行父进程fork后面代码，5次循环将会有2^5=32个进程
所以我们在子进程中加break，让子进程不再创建孙子进程
同时，由于break后，i不再增加，所以一个i值对应一个子进程，甚是巧妙！
这样，后面就可以使用i值作为分支条件，分别控制5个进程。
（具体实现见最后的实践内容）
而且父子进程共用一个文件描述符表，所以子进程的标准输入、输出、错误，都默认和父进程一样。
如果父进程先于子进程终止，孤儿进程会被孤儿院回收（用户/内核init进程）
wait和waitpid
wait:回收子进程资源,阻塞回收任意一个。
pid_t wait（int *status)
参数 status（传出)回收进程的状态。
返回值。成功。回收进程的pid
失败。-1,errno
阻塞等待子进程退出、清理子进程残留在内核的 pcb资源，通过传出参数，得到子进程结束状态
获取子进程正常终止值:
WIFEXITED(status)--》为真--》调用EXITSTATUS(status)--》得到子进程退出值。
获取导致子进程异常终止信号。
WIFSIGNALED(statusm) --》为真--》调用WTERMSIG(status) --》得到导致子进程异常终止的信号编号。
waitpid函数。指定某一个进程进行回收。可以设置非阻塞。
pid_t waitpid(pid_t pid ，int *status，int options)
参数
pid指定回收的子进程
pid>0 : 待回收的子进程id
pid=-1: 任意子进程
pid=00：同组的子进程。
options:WNOHANG指定回收方式为非阻塞。
exec函数族
该函数成功时没有返回值，调用成功后，进程就去执行另外一个程序
所以，写在exec函数后面的代码，只有在exec出错时，才有可能执行
原来进程的fork出来的代码段、数据段、堆栈等，都将被替换成新的程序的内容。但pid不变
环境变量是为当前sh定义的变量，他们定义了程序的执行环境。
使用 env 查看环境变量，export修改环境变量
管道和命名管道
管道是用于进程交换数据的单向进程间通信通道，管道有一个读取端和一个写入端。
命名管道是不相关进程间的FIFO通信通道。
读取和写入管道通常是同步、阻塞操作。
阻塞：
读数据时：管道里没有数据，但是还有写入进程
写数据时：管道里没有存储空间，但还有读出进程
错误：
读数据时：管道里没有数据，而且没有写入进程
写数据时：管道没有读出进程
命名管道是伪文件，本身不占用任何空间。是文件系统的一部分，并按目录进行组织。
使用库函数mkfifo()或者系统调用mknod(X,S_IFIFO,X)创建命名管道
问题与解决思路
如何gdb调试带fork的程序？
gdb默认进入fork的父进程
可以使用命令 set follow-fork-mode child 进入使其进入子进程
如果使用默认设置，gdb会先将fork出的子进程执行完毕，再接着执行父进程。
云班课答疑区
1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <sys/types.h>
4
5 int main(){
6 int i;
7 for(i=0;i<2;i++){
8 fork();
9 printf("-");
10 }
11 return 0;
12 }
这个程序的输出结果是8个'-',即 --------，刚开始确实令人摸不到头脑。
第一次fork后，有2个进程，分别打印1个'-'，共2个
第二次fork后，有4个进程，分别打印1个'-'，共4个
一共应该只打印6个才对。
后来将代码改成printf("-\n")，就正常打印了6个
于是怀疑跟stdout的行缓冲有关。fork出来的子进程把缓冲区也复制了。
第一次fork后，父进程缓冲区里有1个，大儿子缓冲区里有1个
第二次fork后，printf之前，父进程缓冲区里有1个，大儿子缓冲区里有1个，二儿子复制了父进程缓冲区里的1个，孙子复制了大儿子缓冲区里的1个
第二次fork后，printf之后，四个进程缓冲区都增加1个，共增加4个
这样一共就会打印8个
用gdb调试一下，验证猜想
到这里，大儿子和孙子进程执行结束，将缓冲区的内容打印出来，一共打印4个，符合猜想
到这里，二儿子进程执行结束，将缓冲区的内容打印出来，一共打印2个，符合猜想
最后父进程执行结束，程序退出，将缓冲区的内容打印出来，一共打印2个，符合猜想
实践内容
fork
还有getpid()和getppid()
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <pthread.h>
5
6 int main(){
7 printf("before fork 1\n");
8 printf("before fork 2\n");
9 printf("before fork 3\n");
10
11 pid_t pid = fork();
12 if(pid == -1){
13 perror("fork error");
14 exit(1);
15 }else if(pid ==0 ){
16 printf("---child : my id = %d , myparent id = %d\n",getpid(),getppid());
17 }else if(pid >0){
18 printf("---parent : my child id = %d,my id = %d , my parent id = %d\n",pid,getpid(),getppid());
19 }
20 printf("=========EOF==========\n");
21 return 0;
22 }
nfork
循环创建多个子进程
孤儿进程被孤儿院回收了，所以ppid = 1
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <pthread.h>
5
6 int main(){
7 int i;
8 for(i=0;i<5;i++){
9 if(fork()==0) break;
10 }
11 if(i==0){
12 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
13 }else if(i==1){
14 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
15 }
16 else if(i==2){
17 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
18 }
19 else if(i==3){
20 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
21 }
22 else if(i==4){
23 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
24 }else if(i==5){
25 printf("I'm parent,my id = %d\n",getpid());
26 }
27 return 0;
28 }
产生孤儿进程的原因就是子进程没有抢过父进程，父进程拿到CPU之后直接全部执行完事了。
解决：用sleep阻塞一下父进程即可。
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <pthread.h>
5
6 int main(){
7 int i;
8 for(i=0;i<5;i++){
9 if(fork()==0) break;
10 }
11 if(i==0){
12 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
13 }else if(i==1){
14 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
15 }
16 else if(i==2){
17 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
18 }
19 else if(i==3){
20 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
21 }
22 else if(i==4){
23 printf("I'm %dth child,my id = %d,my parent id = %d\n",i+1,getpid(),getppid());
24 }else if(i==5){
25 sleep(1);
26 printf("I'm parent,my id = %d\n",getpid());
27 }
28 return 0;
29 }
execlp
默认在/bin/寻找可执行文件
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <pthread.h>
4 #include <unistd.h>
5
6 int main(){
7 pid_t pid=fork();
8 if(pid == -1){
9 perror("fork error");
10 exit(1);
11 }else if(pid == 0){
12 //child
13 execlp("ls","ls","-l",NULL);
14 perror("exec error");
15 exit(1);
16 }else if(pid > 0){
17 //parent
18 sleep(1);
19 printf("I'm parent : %d\n",getpid());
20 }
21 return 0;
22 }
execl
将可执行文件的路径作为第一个参数传入
使用dup将执行结果重定向到./result.txt
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <pthread.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <fcntl.h>
6
7 int main(){
8 pid_t pid=fork();
9 if(pid == -1){
10 perror("fork error");
11 exit(1);
12 }else if(pid == 0){
13 //child
14 int fd = open("result.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0644);
15 if(fd<0){
16 perror("open file error");
17 exit(1);
18 }
19 dup2(fd,STDOUT_FILENO);
20 execl("/bin/date","date",NULL);
21 perror("exec error");
22 exit(1);
23 }else if(pid > 0){
24 //parent
25 sleep(1);
26 printf("I'm parent : %d\n",getpid());
27 }
28 return 0;
29 }
wait
以及相关的宏函数
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <sys/wait.h>
5
6 int main(){
7 pid_t pid;
8
9 pid = fork();
10 if(pid==0){
11 //child
12 printf("child id = %d\n",getpid());
13 sleep(10);
14 printf("----------child die-----------\n");
15 return 37;
16 }else if(pid > 0){
17 //parent
18 int status;
19 pid_t wpid = wait(&status);
20 if(wpid==-1){
21 perror("wait error");
22 exit(1);
23 }
24 if(WIFEXITED(status)){
25 //normally exit
26 printf("child normally exit with %d\n",WEXITSTATUS(status));
27 }else if(WIFSIGNALED(status)){
28 //kill by signal
29 printf("child is killed by signal %d\n",WTERMSIG(status));
30 }
31 printf("---------parent wait child %d finish--------\n",wpid);
32 }else{
33 perror("fork error");
34 }
35
36 return 0;
37 }
waitpid
用waitpid以非阻塞方式，回收多个进程中指定的子进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
int i;
pid_t children[5];
for(i=0;i<5;i++){
pid_t pid = fork();
if(pid==0){
break;
}else if(pid>0){
children[i] = pid;
}
}
if(i==5){
//parent
for(int j=0;j<5;j++){
while(waitpid(children[j],NULL,WNOHANG)!=-1);
printf("parent has waited child id = %d\n",children[j]);
}
}else{
//children
printf("I'm %dth child,id = %d\n",i,getpid());
}
return 0;
}
pipe函数
用pipe实现man -k dir | grep 2
1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <sys/types.h>
4 #include <stdlib.h>
5
6 int main()
7 {
8 int fd[2];
9 if(pipe(fd)==-1){
10 perror("pipe create error");
11 exit(1);
12 }
13
14 pid_t pid = fork();
15 if(pid == -1){
16 perror("fork error");
17 exit(1);
18 }else if(pid == 0){
19 //child execute man -k
20 close(fd[0]); //向管道写入数据，关闭管道的读端
21 dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);
22 execlp("man","man","-k","dir",NULL);
23 perror("exec man -k error");
24 exit(1);
25 }else if(pid > 0){
26 //parent execute grep
27 close(fd[1]); //从管道读出数据，关闭管道的写端
28 dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
29 execlp("grep","grep","2",NULL);
30 perror("exec man -k error");
31 exit(1);
32 }
33 return 0;
34 }
兄弟进程间使用pipe管道通信
依旧是实现 man -k dir | grep 2
注意关闭父进程的管道的两端
1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <sys/types.h>
4 #include <stdlib.h>
5 #include <sys/wait.h>
6 int main(){
7 int fd[2];
8 if(pipe(fd)==-1){
9 perror("pipe create error");
10 exit(1);
11 }
12 int i;
13 for(i=0;i<2;i++){
14 if(fork()==0) break;
15 }
16 if(i == 2){
17 //parent 既不读，也不写，pipe两端全关上
18 close(fd[0]);
19 close(fd[1]);
20 wait(NULL);
21 wait(NULL);
22 }else if(i == 0){
23 //child 0 execute man -k
24 close(fd[0]); //向管道写入数据，关闭管道的读端
25 dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);
26 execlp("man","man","-k","dir",NULL);
27 perror("exec man -k error");
28 exit(1);
29 }else if(i == 1){
30 //child 1 execute grep
31 close(fd[1]); //从管道读出数据，关闭管道的写端
32 dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
33 execlp("grep","grep","2",NULL);
34 perror("exec man -k error");
35 exit(1);
36 }
37 return 0;
38 }
命名管道
mkfifo函数
两个进程，分别进行读写操作
mkfifo
2 #include <sys/stat.h>
3 #include <stdio.h>
4 int main(){
5 if(mkfifo("myfifo",0664)==-1){
6 perror("mkfifo error");
7 }
8 return 0;
9 }
读写fifo操作就是文件读写操作，就不上代码了
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