【linux】进程控制

01.进程号相关函数

• getpid函数

pid_t getpid(void);
功能：
    获取本进程号（PID）
参数：
    无
返回值：
    本进程号

• getppid函数

pid_t getppid(void);
功能：
    获取调用此函数的进程的父进程号（PPID）
参数：
    无
返回值：
    调用此函数的进程的父进程号（PPID）

• getpgid函数

pid_t getpgid(pid_t pid);
功能：
    获取进程组号（PGID）
参数：
    pid：进程号
返回值：
    参数为 0 时返回当前进程组号，否则返回参数指定的进程的进程组号

02.进程创建

系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。

• fork函数

pid_t fork(void);
功能：
    用于从一个已存在的进程中创建一个新进程，新进程称为子进程，原进程称为父进程。
参数：
    无
返回值：
    成功：子进程中返回 0，父进程中返回子进程 ID。pid_t，为整型。
    失败：返回-1。
    失败的两个主要原因是：
        1）当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时 errno 的值被设置为 EAGAIN。
        2）系统内存不足，这时 errno 的值被设置为 ENOMEM。

03.父子进程关系

​ 使用fork()函数得到的子进程是父进程的一个复制品，它从父进程处继承了整个进程的地址空间:包括进程上下文(进程执行活动全过程的静态描述)、进程堆栈、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号等。
​ 子进程所独有的只有它的进程号，计时器等(只有小量信息)。因此，使用fork()函数的代价是很大的。

​ 简单来说，一个进程调用fork()函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。
​ 实际上，更准确来说，Linux的 fork()使用是通过写时拷贝(copy- on-wite)实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个进程的地址空间，而是让父子进程共享同一个地址空间。只用在需要写入的时候才会复制地址空间，从而使各个进行拥有各自的地址空间。也就是说，资源的复制是在需要写入的时候才会进行，在此之前，只有以只读方式共享。

​ 注意: fork之后父子进程共享文件，fork产生的子进程与父进程相同的文件文件描述符指向相同的文件表，引用计数增加，共享文件文件偏移指针。

04.区分父子进程

​ 子进程是父进程的一个复制品，可以简单认为父子进程的代码一样的。那大家想过没有，这样的话，父进程做了什么事情，子进程也做什么事情(如上面的例子)，是不是不能实现满足我们实现多任务的要求呀，那我们是不是要想个办法区别父子进程呀，这就通过fork()的返回值。
​ fork()函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是:子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新子进程的进程ID。

测试程序

int main()
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {   // 没有创建成功  
        perror("fork");
        return 0;
    }
    if (0 == pid)
    { // 子进程  
        while (1)
        {
            printf("I am son\n");
            sleep(1);
        }
    }
    else if (pid > 0)
    { // 父进程  
        while (1)
        {
            printf("I am father\n");
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

​ 一般来说，在 fork() 之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的。这取决于内核所使用的调度算法。
​ 需要注意的是，在子进程的地址空间里，子进程是从 fork() 这个函数后才开始执行代码。

05.GDB调试多进程

​ 使用gdb调试的时候，gdb只能跟踪一个进程。可以在fork函数调用之前，通过指令设置gdb调试工具跟踪父进程或者是跟踪子进程。默认跟踪父进程。

• set follow-fork-mode child设置gdb在fork之后跟踪子进程。
• set follow-fork-mode parent设置跟踪父进程(默认)。

注意，一定要在fork函数调用之前设置才有效。

06.进程退出函数

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
功能：
    结束调用此函数的进程。
参数：
    status：返回给父进程的参数（低 8 位有效），至于这个参数是多少根据需要来填写。
返回值：
    无

exit()和**exit() 函数功能和用法是一样的，无非时所包含的头文件不一样，还有的区别就是: exit()属于标准库函数，**exit()属于系统调用函数。

07.等待子进程退出函数

7.1概述

​ 在每个进程退出的时候，内核释放该进程所有的资源、包括打开的文件、占用的内存等。但是仍然为其保留一定的信息，这些信息主要主要指进程控制块PCB的信息(包括进程号、退出状态、运行时间等)。
​ 父进程可以通过调用wait或waitpid得到它的退出状态同时彻底清除掉这个进程。
​ wait()和waitpid()函数的功能一样，区别在于，wait()函数会阻塞，waitpid()可以设置不阻塞，waitpid()还可以指定等待哪个子进程结束。

​ 头文件

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

注意:一次wait或waitpid调用只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环。

7.1 wait函数

pid_t wait(int *status);
功能：
    等待任意一个子进程结束，如果任意一个子进程结束了，此函数会回收该子进程的资源。
参数：
    status : 进程退出时的状态信息。
返回值：
    成功：已经结束子进程的进程号
    失败： -1

​ 调用wait()函数的进程会挂起（阻塞)，直到它的一个子进程退出或收到一个不能被忽视的信号时才被唤醒（相当于继续往下执行)。

​ 若调用进程没有子进程，该函数立即返回;若它的子进程已经结束，该函数同样会立即返回，并且会回收那个早已结束进程的资源。
​ 所以，wait()函数的主要功能为回收已经结束子进程的资源。
​ 如果参数status的值不是NULL，wait()就会把子进程退出时的状态取出并存入其中，这是一个整数值(int)，指出了子进程是正常退出还是被非正常结束的。

​ 这个退出信息在一个int中包含了多个字段，直接使用这个值是没有意义的，我们需要用宏定义取出其中的每个字段

宏函数可分为3组

• WIFEXITED(status)为非0→进程正常结束
  WEXITSTATUS(status)
  如上宏为真，使用此宏→获取进程退出状态(exit的参数)
• WIFSIGNALED(status)
  为非0→进程异常终止WTERMSIG(status)
  如上宏为真，使用此宏→取得使进程终止的那个信号的编号。
• WIFSTOPPED(status)
  为非0→进程处于暂停状态wSTOPSIG(status)
  如上宏为真，使用此宏→取得使进程暂停的那个信号的编号。
  wIFCONTINUED(status)
  为真→进程暂停后已经继续运行

7.3 waitpid函数

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
功能：
    等待子进程终止，如果子进程终止了，此函数会回收子进程的资源。

参数：
    pid : 参数 pid 的值有以下几种类型：
      pid > 0  等待进程 ID 等于 pid 的子进程。
      pid = 0  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 不会等待它。
      pid = -1 等待任一子进程，此时 waitpid 和 wait 作用一样。
      pid < -1 等待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。

    status : 进程退出时的状态信息。和 wait() 用法一样。

    options : options 提供了一些额外的选项来控制 waitpid()。
            0：同 wait()，阻塞父进程，等待子进程退出。
            WNOHANG：不阻塞，没有任何已经结束的子进程，则立即返回。
            WUNTRACED：如果子进程暂停了则此函数马上返回，并且不予以理会子进程的结束状态。（由于涉及到一些跟踪调试方面的知识，加之极少用到）
                 
返回值：
    waitpid() 的返回值比 wait() 稍微复杂一些，一共有 3 种情况：
        1) 当正常返回的时候，waitpid() 返回收集到的已经回收子进程的进程号；
        2) 如果设置了选项 WNOHANG，而调用中 waitpid() 发现没有已退出的子进程可等待，则返回 0；
        3) 如果调用中出错，则返回-1，这时 errno 会被设置成相应的值以指示错误所在，如：当 pid 所对应的子进程不存在，或此进程存在，但不是调用进程的子进程，waitpid() 就会出错返回，这时 errno 被设置为 ECHILD；

08.孤儿进程

​ 父进程运行结束，但子进程还在运行(未运行结束)的子进程就称为孤儿进程(Orphan Process)。

​ 每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤儿进程的父进程设置为init ，而init进程会循环地wait()它的已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候，init进程就会代表党和政府出面处理它的一切善后工作。因此孤儿进程并不会有什么危害。

09.僵尸进程

​ 进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源(PCB）存放于内核中，变成僵尸(Zombie)进程。

​ 这样就会导致一个问题，如果进程不调用wait()或 waitpid()的话，那么保留的那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵尸进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程，此即为僵尸进程的危害，应当避免。

10.进程替换

​ 在Windows平台下，我们可以通过双击运行可执行程序，让这个可执行程序成为一个进程;而在Linux平台，我们可以通过﹒/运行，让一个可执行程序成为一个进程。
​ 但是，如果我们本来就运行着一个程序(进程)，我们如何在这个进程内部启动一个外部程序，由内核将这个外部程序读入内存，使其执行起来成为一个进程呢?这里我们通过exec 函数族实现。

​ exec函数族，顾名思义，就是一簇函数，在Linux中，并不存在exec()函数，exec指的是一组函数，一共有6个:

#include <unistd.h>
extern char **environ;

int execl(const char *path, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
int execlp(const char *file, const char *arg, ... /* (char  *) NULL */);
int execle(const char *path, const char *arg, .../*, (char *) NULL, 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[]);
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

​ 其中只有execve()是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数。

​ exec函数族的作用是根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。

​ 进程调用一种exec函数时，该进程完全由新程序替换，而新程序则从其main函数开始执行。因为调用exec并不创建新进程，所以前后的进程ID(当然还有父进程号、进程组号、当前工作目录…）并未改变。exec只是用另一个新程序替换了当前进程的正文、数据、堆和栈段(进程替换)。

exec函数使用说明

xec 函数族的 6 个函数看起来似乎很复杂，但实际上无论是作用还是用法都非常相似，只有很微小的差别。

​ exec 函数族与一般的函数不同，exec 函数族中的函数执行成功后不会返回，而且，exec 函数族下面的代码执行不到。只有调用失败了，它们才会返回-1，失败后从原程序的调用点接着往下执行。

​ 更多详细信息请查看man page