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
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