04-Linux系统编程之进程

ltwoxc2025-01-07 9:38

一、进程的概述

1.什么是进程

进程：即进行中的程序，可执行文件从开始运行到结束运行这段过程就叫进程。

2.程序和进程的区别

  • 程序：存储在磁盘上、占磁盘空间、静态的。如：我们编写的C语言代码就是程序，存储在我们电脑磁盘上；

  • 进程：运行在系统上、占内存空间，动态的，包括进程的创建、调度、消亡。如：我们的代码经过编译生成了可执行文件，然后将可执行文件运行，这个运行中的程序就是进程。

3.并发和并行的区别

  • 并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行，并行是真正做到了同时进行；
  • 并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，利用了人眼的暂留现象（余晖效应），因为切换太快，人眼感觉不出来，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行（分时复用）。

4.PCB 进程控制块

4.1 PCB 的概述

PCB：进程控制块，程序运行时，内核为每个进程分配一个 PCB（进程控制块），维护进程相关的信息。Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体，这个结构体里面存放着运行维护进程需要的所有资源。

  • task_struct 结构体：这个结构体里面的内容很多，但很多是涉及到系统内核的一些操作，我们不需要全部了解，后续学习可能用到和需要掌握的内容主要如下：
    1. 进程 id：系统会为每个进程分配唯一的 id，在 C 语言中用 pid_t 类型表示，其本质是一个非负整数， 进程有就绪、运行、挂起、停止等状态；
    2. 进程切换时需要保存和恢复的一些 CPU 寄存器，因为我们上面讲到了分时复用，进程间快速切换，当前这个进程暂停了以后，下次要接着当前运行，就得保存当前的工作状态；
    3. 描述虚拟地址空间的信息，描述控制终端的信息，当前工作目录（CurrentWorking Directory），umask 掩码；
    4. 文件描述符表，包含很多指向 file 结构体的指针；
    5. 和信号相关的信息，用户 id 和组 id，会话（Session）和进程组，进程可以使用的资源上限（Resource Limit）等。

4.2进程的状态

上面提到了进程包括就绪、运行、挂起、停止等状态，这里就详细介绍一下。

4.2.1进程状态三层模型

  • 三层模型包括：

    1. 等待态：进程还不具备被 CPU 调度的条件，进程正在等待 CPU 能调用的条件成立；
    2. 就绪态：进程被调度的条件成立，等待 CPU 调度；
    3. 执行态：进程的正在被 CPU 执行。

  • 三层模型示意图

这里还有一个就绪态和执行态之间的一个循环切换，这里就是我们前面提到的分时复用，不同进程来回切换，每个进程只允许执行很短的事件，一个时间片到以后就把 CPU 让出来给其它进程用，该进程就变为就绪态等待被再次调用，如此循环。

4.2.2进程状态五层模型

相比于三层模型，多了僵尸态和停止态，等待态也分为了两种情况，其示意图如下：

  • 五层模型介绍：
    1. 可中断等待态（TASK_INTERRUPTIBLE） ：进程被 CPU 调度的条件还不成立，但不一定要条件成立才能被唤醒，也会因为接收到信号而提前被唤醒；
    2. 不可中断等待态（TASK_UNINTERRUPTIBLE）：和可中断相比，这个必须等到条件满足才能被唤醒，不能通过信号提前唤醒；
    3. 就绪态（TASK_RUNNABLE）： 表示己经准备就绪，正等待被调度；
    4. 执行态（TASK_RUNNING） ： 进程正在被 CPU 执行 ；
    5. 僵尸态（TASK_ZOMBIE）：表示该进程已经结束了，但是其父进程还没有调用 wait 或 waitpid 来释放该进程资源（PCB资源）；
    6. 停止态（TASK_STOPPED）：进程停止执行，当进程接收到 SIGSTOP，SIGTSTP，SIGTTIN，SIGTTOU 等信号的时候会进入停止态。此外，在调试期间接收到任何信号，都会使进程进入这种状态。当接收到 SIGCONT 信号，会重新回到执行态。
4.2.3查看进程状态

通过 ps -aux命令查看进程状态。

  • 命令演示
shell 复制代码 
edu@edu:~$ ps -aux
USER        PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root          1  0.1  0.1 119968  6004 ?        Ss   15:43   0:01 /sbin/init splash
root          2  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [kthreadd]
root          3  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [ksoftirqd/0]
root          5  0.0  0.0      0     0 ?        S<   15:43   0:00 [kworker/0:0H]
root          7  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [rcu_sched]
root          8  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [rcu_bh]
root          9  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [migration/0]
root         10  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [watchdog/0]
root         11  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [watchdog/1]
root         12  0.0  0.0      0     0 ?        S    15:43   0:00 [migration/1]
......

  • 上面的 STAT 就是其状态信息列，参数意义如下：

    D 不可中断 Uninterruptible（usually IO）
    R 正在运行，或在队列中的进程
    S 处于休眠状态（大写S）
    T 停止或被追踪
    Z 僵尸进程
    W 进入内存交换（从内核 2.6 开始无效）
    X 死掉的进程
    < 高优先级
    N 低优先级
    s 包含子进程（小写s）

    • 复制代码 
      位于前台的进程组（即与终端设备有交互的进程）

  • ps 命令常用于查看进程相关的信息，其选项如下：

    -a 显示终端上的所有进程，包括其他用户的进程
    -u 显示进程的详细状态
    -x 显示没有控制终端的进程
    -w 显示加宽，以便显示更多的信息
    -r 只显示正在运行的进程
    pstree 树状显示进程关系
    啥也不加，显示的是当前进程

二、进程号

1.进程号概述

每个进程都由一个唯一的进程号来标识，其类型为 pid_t。进程号总是唯一的，但进程号可以重用，即当一个进程终止后，其进程号就可以再次被其它使用。

  • 常用进程号分为：
  1. PID：当前进程号；
  2. PPID：当前进程的父进程号；
  3. PGID：进程组 ID。

2.获取进程号

2.1获取当前进程号

  • 函数介绍

    #include <sys/types.h> // 包含的头文件
    #include <unistd.h>
    pid_t getpid(void);
    功能：获取本进程号（PID）
    参数：
    无
    返回值：
    本进程的进程号（PID）

2.2获取当前进程父进程号

  • 函数介绍

    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    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）

2.3获取进程组号

  • 函数介绍

    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    pid_t getpgid(pid_t pid);
    功能：获取进程组号（PGID）
    参数：
    pid：0或指定进程号
    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

  • 代码演示

c 复制代码 
void test01()
{
    printf("当前进程号：%d\n", getpid());
    printf("当前进程父进程号：%d\n", getppid());
    printf("当前进程组号：%d\n", getpgid(0));

    // 用于阻塞，防止进程退出
    getchar();
}

  • 运行结果

    当前进程号：4618
    当前进程父进程号：2791
    当前进程组号：4618

  • 通过 ps 命令查看当前进程相关进程号

shell 复制代码 
edu@edu:~$ ps -ajx | grep a.out
 PPID    PID   PGID    SID TTY       TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
  2791   4618   4618   2791 pts/21     4618 S+    1000   0:00 ./a.out

可以看到，几个进程号是对应的。

查看父进程号对应的哪个进程：

sell 复制代码 
edu@edu:~$ ps -A | grep 2791
  2791 pts/21   00:00:00 bash

可以看到，父进程号对应的进程是 bash 解析器，因此，每个进程都不能独立启动，都必须通过一个父进程间接启动，父进程还有父进程，就这样一层层有秩序地管理进程（创建进程和回收进程资源），一直到最顶层的 1 号进程。

  • 可以通过 pstree 命令查看进程间的创建关系
shell 复制代码 
systemd─┬─ManagementAgent───6*[{ManagementAgent}]
        ├─ModemManager─┬─{gdbus}
        │              └─{gmain}
        ├─NetworkManager─┬─dhclient
        │                ├─dnsmasq
        │                ├─{gdbus}
        │                └─{gmain}
        ├─VGAuthService
        ├─accounts-daemon─┬─{gdbus}
        │                 └─{gmain}
... ...

三、创建子进程

1.子进程引入

  • 为什么我们要创建子进程，看下面的例子：
c 复制代码 
void test02()
{
    while (1)
    {
        printf("---------------------------1\n");
        sleep(1);
    }
    while (1)
    {
        printf("---------------------------2\n");
        sleep(1);
    }
}
  • 运行结果
shell 复制代码 
---------------------------1
---------------------------1
---------------------------1
---------------------------1
---------------------------1
---------------------------1
... ...
  • 说明：可以看到，当程序执行时，永远都只能执行第一个循环，第二个循环被第一个阻塞掉了，就无法执行到，而如果我们想要同时执行两个循环，就需要用到子进程。

2.fork 创建进程

2.1fork 语法

进程是系统进行资源分配的基本单位。

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

  • fork 函数介绍

    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    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：在子进程中返回 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。

  • 注意：父进程和子进程都会在 fork 之后运行，创建子进程后，会另外开辟一个空间，将父进程的资源拷贝一份给子进程。

2.2创建一个子进程

  • 代码演示
c 复制代码 
void test03()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) // 父进程执行的代码
    {
        printf("父进程ID:%d\n", getpid());
        getchar(); // 阻塞，防止父进程退出
    }
    else if (pid == 0) // 子进程执行的代码
    {
        printf("子进程ID:%d\n", getpid());
        getchar(); // 阻塞，防止子进程退出
    }
}

  • 运行结果

    父进程ID:6826
    子进程ID:6827

  • 命令查看进程号

shell 复制代码 
edu@edu:~$ ps -ajx | grep a.out
  2791   6826   6826   2791 pts/21     6826 S+    1000   0:00 ./a.out
  6826   6827   6826   2791 pts/21     6826 S+    1000   0:00 ./a.out

  • 当我们输入字符解堵塞

    // 明明是一个父进程一个子进程，但是只输入了一个字符就退出了
    // 难道父子进程都退出了马，通过命令查看进程状态
    edu@edu:~$ ps -ajx | grep a.out
    1 6827 6826 2791 pts/21 2791 S 1000 0:00 ./a.out

  • 说明：

    1. 可以看到还有一个 a.out 进程在运行，对应进程号，可以看到是之前的子进程，说明刚刚只是父进程退出了，然后子进程没了父进程，就没有父进程为其回收资源了，为了防止无法回收子进程资源，系统会通过1号进程来接手，这样的进程叫做孤儿进程；
    2. 我们上面创建父子进程，然后分别执行了各自的代码，这里有一个误区，就是会误以为，if (pid > 0) 条件成立里面的部分是父进程，else if (pid == 0)条件成立里面的是子进程。其实创建子进程的时候，会将父进程的整个资源，包括这里的所有代码都拷贝一份到子进程，所有这里所有的代码在父子进程中都存在，只是从逻辑角度将其划分为父进程执行的代码和子进程执行的代码。

  • 上面同时执行两个 while 循环的代码的实现

c 复制代码 
void test04()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        while (1)
        {
            printf("---------------------------1\n");
            sleep(1);
        }
    }
    else if (pid == 0)
    {
        while (1)
        {
            printf("---------------------------2\n");
            sleep(1);
        }
    }
}

  • 运行结果

    edu@edu:~/study/my_code$ ./a.out
    ---------------------------1
    ---------------------------2
    ---------------------------2
    ---------------------------1
    ---------------------------1
    ---------------------------2
    ---------------------------1
    ---------------------------2
    ... ...

3.父进程和子进程的关系

3.1父子进程的关系

使用 fork 函数创建的子进程是父进程的一个复制品，父进程的空间地址的内容拷贝了一份给子进程空间。

地址空间中包括：进程上下文、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。因此，使用 fork函数的代价是很大的。

但是为了尽可能减少空间的消耗，并不是将父进程的资源完完全全拷贝给子进程，对于一些数据在写时是独立的，读时是共享。

3.2 写时独立读时共享

  • 代码演示：读时共享
c 复制代码 
void test05()
{
    int num = 10;
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        while (1)
        {
            printf("父进程：num = %d,num_id = %p\n", num, &num);
            sleep(1);
        }
    }
    else if (pid == 0)
    {
        while (1)
        {
            printf("子进程：num = %d,num_id = %p\n", num, &num);
            sleep(1);
        }
    }
}

  • 运行结果

    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    子进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    子进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    子进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    子进程：num = 10,num_id = 0x7ffcfcff2ee0
    ... ...

  • 说明：上面是通过父子进程分别读取 num 变量的数据，同时打印 num 变量数据的地址，发现打印的数据和地址都一样，验证了上面所说的读时共享。也就是创建子进程的时候，只是将变量名拷贝了过去，但是通过变量名访问数据的时候还是访问的同一个内存地址。

  • 代码演示：写时独立

c 复制代码 
void test06()
{
    int num = 10;
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        while (1)
        {
            printf("父进程：num = %d,num_id = %p\n", num, &num);
            sleep(1);
        }
    }
    else if (pid == 0)
    {
        while (1)
        {
            num++;
            printf("子进程：num = %d,num_id = %p\n", num, &num);
            sleep(1);
        }
    }
}

  • 运行结果

    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffc89a37c30
    子进程：num = 11,num_id = 0x7ffc89a37c30
    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffc89a37c30
    子进程：num = 12,num_id = 0x7ffc89a37c30
    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffc89a37c30
    子进程：num = 13,num_id = 0x7ffc89a37c30
    父进程：num = 10,num_id = 0x7ffc89a37c30
    ... ...

  • 说明：可以看到，父子进程打印的两个 num 的值不一样了，说明子进程修改 num 变量了以后，num 在父子进程中已经是独立的两份了。但是这里看到的 num 的地址还是一样的，那是因为进程里面的内存地址是虚拟地址，并不是实际的物理地址，虽然父进程与子进程中变量虚拟地址是一样的，但是映射到不同的物理地址就得到了不同的数值。

3.3 printf 换行与不换行

  • 代码演示
c 复制代码 
void test07()
{
    printf("hello world\n"); // 加换行
    printf("hello friend");  // 不加换行
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
    }
    else if (pid == 0)
    {
    }
}

  • 运行结果

    hello world
    hello friendhello friendedu@edu:~/study/my_code$

  • 说明

    1. 现象：可以看到，加了换行符的字符串打印了一遍，但没加换行符的字符串打印了两遍；
    2. 加换行符打印一遍，是因为我们知道 printf 函数是一个库函数，库函数有缓冲区，要将数据显示在终端设备上，需要将输出到缓冲区的数据刷新到终端，换行就是其中的刷新方式之一。在创建子进程之前，字符串就已经刷新到终端了，又因为父子进程是从 fork 之后执行的，因此对有换行的这个打印不会有任何影响，直接打印一次就完事了；
    3. 但是不加换行符，没有行刷新、满刷新和强制刷新，就只剩下进程结束刷新了，又因为在进程结束前先创建了子进程，子进程会拷贝父进程资源，连同缓冲区一起拷贝了，因此父子进程结束，会分别将字符串刷新到终端设备，就出现了两个 hello friend；
    4. 如果在其下面添加一个 fflush(stdout) 强制刷新，就只会打印一次。

3.4库函数 write 输出

  • 代码演示
c 复制代码 
void test08()
{
    write(1, "hello world", 11); // 加换行
    printf("hello friend");      // 不加换行
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
    }
    else if (pid == 0)
    {
    }
}

  • 运行结果

    hello worldhello friendhello friendedu@edu:~/study/my_code$

  • 说明：可以看到，如果使用库函数输出，即使不加换行也只会输出一次，因为库函数是直接操作内核资源，可以直接将数据输出到终端设备，根本不需要什么缓冲区，因此也就不存在库函数的缓冲区拷贝和结束刷新。

3.5 exit 和 _exit

  • 代码演示1
c 复制代码 
void test09()
{
    printf("hello friend");
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        exit(-1);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        _exit(-1);
    }
}

  • 运行结果

    hello friendedu@edu:~/study/my_code$

  • 代码演示2

c 复制代码 
void test09()
{
    printf("hello friend");
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        _exit(-1);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        _exit(-1);
    }
}

  • 运行结果

    edu@edu:~/study/my_code$ // 啥也没有

  • 代码演示3

c 复制代码 
void test09()
{
    printf("hello friend");
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        exit(-1);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        exit(-1);
    }
}

  • 运行结果

    hello friendhello friendedu@edu:~/study/my_code$

  • 说明：

    1. 上面演示的三种情况，可以发现，通过 _exit(-1) 退出进程的时候，不打印，通过exit(-1)会打印；
    2. 因为_exit(-1)是系统调用，作用是退出进程，不会刷新缓冲区；
    3. exit(-1)是库函数，作用是退出进程，会刷新缓冲区。

4.父子进程运行顺序

  • 代码演示
c 复制代码 
void test10()
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        printf("父进程运行了\n");
    }
    else if (pid == 0)
    {
        printf("子进程运行了\n");
    }
}

  • 运行结果

    edu@edu:~/study/my_code ./a.out 父进程运行了 子进程运行了 edu@edu:~/study/my_code ./a.out
    父进程运行了
    子进程运行了

  • 说明：

    1. 上面运行的结果可以看出，我们多次调用，都是父进程先执行，子进程后执行，那是因为这里只有父进程先执行了才能调用 fork 创建子进程，因此这里演示肯定是父进程先执行，不然哪来的子进程；
    2. 但是我们站在原理的角度出发，父子进程是分别独立的进程，它们之间谁先运行要看谁先抢占到 CPU 资源，因此谁先运行是不确定的。
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Linux中断机制：操作系统如何高效运行
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