4、linux c 进程

【三】进程

1. 进程与程序的区别

程序：存放在磁盘上的指令和数据的有序集合（文件），是静态的。
进程：执行一个程序所分配的资源的总称，是动态的。

2. 进程的组成部分

BSS段（bss）：存放程序中未初始化的全局变量。
数据段（data）：存放已初始化的全局变量。
代码段（text）：存放程序执行代码。
堆（heap） ：通过malloc等函数分配内存，动态扩张或缩减。
栈（stack）：存放局部变量、函数参数和函数返回值，先进后出。
进程控制块（PCB）：包含进程ID（PID）、进程优先级、文件描述符表等。

3. 进程类型

交互进程：用户通过终端与系统交互的进程。
批处理进程：在后台运行，不需要用户交互。
守护进程：在后台运行的特殊进程，通常用于系统服务。

4. 进程状态

运行态：进程正在运行。
等待态：进程等待某些资源（如I/O）。
停止态：进程被暂停。
死亡态：进程已结束，但父进程尚未读取其状态信息。

5. 堆与栈

堆（heap）：用于存放进程运行中被动态分配的内存段，当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）
栈（stack）：又称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，（但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进后出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

一、查看进程信息

1. `ps`命令

用于查看系统进程的快照。

1.1 常用参数

-e：显示所有进程。
-l：长格式显示更详细信息。
-f：全格式显示，通常与其他选项联用。

1.2 输出字段说明

字段	含义
F	进程标志，说明进程的权限。常见标志：1（不可执行）、4（超级用户权限）等。
S	进程状态。常见状态：-D（不可唤醒的睡眠状态）、-R（运行）、-S（睡眠）、-T（停止）、-Z（僵尸进程）等。
UID	运行此进程的用户ID。
PID	进程的ID。
PPID	父进程的ID。
C	进程的CPU使用率（百分比）。
PRI	进程的优先级，数值越小优先级越高。
NI	进程的nice值，数值越小优先级越高。
ADDR	进程在内存中的位置。
SZ	进程占用的内存大小。
WCHAN	进程是否运行，"-"表示正在运行。
TTY	进程由哪个终端产生。
TIME	进程占用CPU的时间。
CMD	产生此进程的命令名。

1.3 示例

复制代码

ps -elf

2. `top`命令

用于查看进程的动态信息。

2.1 常用操作

shift + >：后翻页。
shift + <：前翻页。
top -p PID：查看指定进程。

3. `/proc`目录

用于查看进程的详细信息。

每个进程在/proc目录下都有一个以PID命名的子目录，包含进程的各种信息文件，如status、maps等。

二、改变进程优先级

1. `nice`命令

按用户指定的优先级运行进程。

1.1 命令格式

复制代码

nice [-n NI值] 命令

NI值范围：-20~19。
- 数值越大，优先级越低。
- 普通用户可调整范围为0~19，只能调高优先级。
- 只有root用户可以设置负值。

2. `renice`命令

改变正在运行进程的优先级。

2.1 命令格式

复制代码

renice [优先级] PID

三、进程管理

1. 查看后台进程

1.1 命令

复制代码

jobs

2. 将挂起的进程在后台运行

2.1 命令

复制代码

bg

3. 将后台进程放到前台运行

3.1 命令

复制代码

fg

4. 将前台进程转为后台并停止

4.1 操作

复制代码

Ctrl + Z

5. 后台运行程序

5.1 示例

复制代码

./test &

四、创建子进程

1. `fork()`函数

创建新的进程。

1.1 函数原型

复制代码

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

1.2 返回值

成功：
- 父进程返回子进程的PID。
- 子进程返回0。
失败：返回-1。

1.3 特点

子进程只执行fork()之后的代码。
父子进程的执行顺序由操作系统决定。
子进程继承父进程的内容，但父子进程有独立的地址空间。

1.4 注意事项

若父进程先结束：
- 子进程成为孤儿进程，被init进程收养。
- 子进程可能成为后台进程。
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。

1.5 示例

复制代码

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        printf("I am the child process, PID: %d\n", getpid());
    } else {
        printf("I am the parent process, PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    return 0;
}

五、进程的退出

1. `exit()`函数

结束当前进程。

1.1 函数原型

复制代码

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

1.2 特点

会刷新流缓冲区。
通常用于正常退出。

2. `_exit()`函数

结束当前进程。

2.1 函数原型

复制代码

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

2.2 特点

不刷新流缓冲区。
通常用于异常退出。

3. `return`与`exit`的区别

main函数结束时会隐式调用exit。
普通函数的return是返回上一级。

六、进程的回收

1. `wait()` 函数

回收子进程。

1.1 函数原型

复制代码

#include <unistd.h>
pid_t wait(int *status);

1.2 返回值

成功时返回回收的子进程的 PID。
失败时返回 -1。

1.3 特点

若子进程未结束，父进程会阻塞。
status 用于保存子进程的返回值和结束方式。
若 status 为 NULL，表示直接释放子进程的 PCB。

2. `waitpid()` 函数

更灵活的子进程回收。

2.1 函数原型

复制代码

#include <unistd.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

2.2 参数说明

pid：
- >0：只等待指定 PID 的子进程。
- = -1：等待任意子进程。
- = 0：等待同一进程组中的子进程。
- < -1：等待指定进程组中的子进程。
options：
- WNOHANG：非阻塞，若子进程未结束，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。

2.3 示例代码

示例 1：`wait()` 示例

复制代码

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Child process, PID: %d\n", getpid());
        sleep(2); // 模拟子进程运行
        printf("Child process finished\n");
        return 0; // 子进程退出
    } else {
        // 父进程
        printf("Parent process, PID: %d, waiting for child...\n", getpid());
        int status;
        wait(&status); // 等待子进程结束
        printf("Child process exited with status: %d\n", status);
        return 0;
    }
}

示例 2：`waitpid()` 示例

复制代码

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Child process, PID: %d\n", getpid());
        sleep(3); // 模拟子进程运行
        printf("Child process finished\n");
        return 0; // 子进程退出
    } else {
        // 父进程
        printf("Parent process, PID: %d, waiting for child...\n", getpid());
        int status;
        pid_t ret = waitpid(pid, &status, WNOHANG); // 非阻塞等待子进程
        if (ret == 0) {
            printf("Child process is still running\n");
        } else if (ret == -1) {
            perror("waitpid failed");
        } else {
            printf("Child process exited with status: %d\n", status);
        }
        return 0;
    }
}

七、`exec` 函数族

1. 背景

fork 创建进程后，子进程会继承父进程的代码和数据，父子进程执行相同的代码。然而，在实际开发中，我们通常希望子进程执行与父进程不同的程序。exec 函数族的作用就是用来替换当前进程的代码和数据，从而执行指定的程序。

2. 作用

exec 函数族用于替换当前进程的代码和数据，执行指定的程序。这些函数不会创建新的进程，而是直接替换当前进程的内容。

3. 函数原型

复制代码

#include <unistd.h>

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int system(const char *command);

4. 参数说明

4.1 `execl`

复制代码

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

path：指定要执行的程序的路径。
arg ：传递给程序的参数列表，必须以 NULL 结尾。
特点：参数列表是可变参数，每个参数都是字符串。

4.2 `execlp`

复制代码

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

file ：指定要执行的程序的文件名。execlp 会在环境变量 PATH 中查找该文件。
arg ：传递给程序的参数列表，必须以 NULL 结尾。
特点：不需要指定文件的全路径，execlp 会自动在 PATH 中查找。

4.3 `execv`

复制代码

int execv(const char *path, char *const argv[]);

path：指定要执行的程序的路径。
argv ：传递给程序的参数数组，必须以 NULL 结尾。
特点：参数以数组形式传递，适合参数较多的情况。

4.4 `execvp`

复制代码

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

file ：指定要执行的程序的文件名。execvp 会在环境变量 PATH 中查找该文件。
argv ：传递给程序的参数数组，必须以 NULL 结尾。
特点：不需要指定文件的全路径，execvp 会自动在 PATH 中查找。

4.5 `system`

复制代码

int system(const char *command);

command：要执行的命令字符串。
特点：system 是一个高级函数，会调用 /bin/sh 来执行命令。它会创建一个子进程来运行命令，并等待命令执行完成。

5. 返回值

成功：执行指定的程序，不会返回到调用 exec 的代码。
失败：返回 -1，并设置 errno。

6. 特点

进程替换 ：exec 函数会替换当前进程的代码和数据，但进程号（PID）保持不变。
参数传递：
- 第一个参数（如 arg 或 argv[0]）通常是程序的名称，虽然它在程序中没有实际用途。
- 参数列表或数组必须以 NULL 结尾。
路径查找：
- execl 和 execv 需要指定程序的完整路径。
- execlp 和 execvp 会在环境变量 PATH 中查找程序。
环境变量 ：exec 函数不会改变当前进程的环境变量。

7. 示例代码

示例 1：`execl` 示例

复制代码

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

int main() {
    printf("Before exec\n");
    execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 替换当前进程为 ls 程序
    printf("After exec\n"); // 不会执行到这里
    return 0;
}

示例 2：`execlp` 示例

复制代码

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

int main() {
    printf("Before exec\n");
    execlp("ls", "ls", "-l", NULL); // 替换当前进程为 ls 程序
    printf("After exec\n"); // 不会执行到这里
    return 0;
}

示例 3：`execv` 示例

复制代码

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

int main() {
    printf("Before exec\n");
    char *args[] = {"/bin/ls", "-l", NULL};
    execv("/bin/ls", args); // 替换当前进程为 ls 程序
    printf("After exec\n"); // 不会执行到这里
    return 0;
}

示例 4：`execvp` 示例

复制代码

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

int main() {
    printf("Before exec\n");
    char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
    execvp("ls", args); // 替换当前进程为 ls 程序
    printf("After exec\n"); // 不会执行到这里
    return 0;
}

示例 5：`system` 示例

复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    printf("Before system\n");
    system("ls -l"); // 使用 shell 执行命令
    printf("After system\n"); // 会执行到这里
    return 0;
}

`exec` 函数族的使用注意事项

1. 参数传递

参数列表或数组必须以 NULL 结尾，否则会导致未定义行为。
第一个参数（如 arg 或 argv[0]）通常是程序的名称，虽然它在程序中没有实际用途，但建议正确填写。

2. 环境变量

exec 函数不会改变当前进程的环境变量。如果需要修改环境变量，可以使用 putenv 或 setenv 函数。

3. 文件描述符

在调用 exec 函数之前，应确保关闭不需要的文件描述符，以避免资源泄漏。
如果需要保留某些文件描述符（如日志文件），应确保它们在调用 exec 之前已正确打开。

4. 错误处理

如果 exec 函数失败，会返回 -1，并设置 errno。可以通过 perror 或 strerror 获取错误信息。
常见错误包括：
- 文件路径错误或文件不存在。
- 文件没有执行权限。
- 环境变量 PATH 中未找到程序。

与 fork 结合使用

exec 函数通常与 fork 结合使用，创建子进程并执行不同的程序。
示例代码：

复制代码

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Child process, PID: %d\n", getpid());
        execlp("ls", "ls", "-l", NULL); // 子进程执行 ls 程序
        perror("execlp failed"); // 如果 execlp 失败，会执行到这里
        return 1;
    } else {
        // 父进程
        printf("Parent process, PID: %d\n", getpid());
        wait(NULL); // 等待子进程结束
        printf("Child process finished\n");
    }
    return 0;
}

6. 使用 `system` 的注意事项

system 函数会调用 /bin/sh 来执行命令，因此可能会引入安全风险（如注入攻击）。
如果需要执行简单的命令，可以使用 system，但建议优先使用 exec 函数族。
示例：避免注入攻击

复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    char *filename = "test.txt";
    char command[256];
    snprintf(command, sizeof(command), "ls -l %s", filename); // 安全地构造命令
    system(command);
    return 0;
}

八、守护进程（Daemon Process）

1. 概念

守护进程（Daemon Process）是一种生存期较长的进程，通常独立于控制终端，并周期性地执行某种任务或等待处理某些事件。

2. 特点

始终在后台运行，独立于任何终端。
周期性地执行任务或等待处理特定事件。
是一种特殊的孤儿进程，脱离终端，避免被终端信息打断。

3. 创建守护进程

3.1 简便方法

使用 nohup 命令：

复制代码

nohup xxxx &

3.2 使用 `setsid` 函数

复制代码

#include <unistd.h>

pid_t setsid(void);

成功时返回调用进程的会话 ID。
失败时返回 -1，并设置 errno。
调用 setsid 的进程成为新的会话组长和组长进程。

3.3 使用 `getsid` 函数

复制代码

#include <unistd.h>

pid_t getsid(pid_t pid);

成功时返回调用进程的会话 ID。
失败时返回 -1，并设置 errno。
参数 pid 为 0 时，查看当前进程的会话 ID。

3.4 其他辅助函数

getpid：获取进程 ID。
复制代码
```
pid_t getpid(void);
```
getpgid：获取进程组 ID。
复制代码
```
pid_t getpgid(pid_t pid);
```

4. 创建守护进程的步骤

创建子进程，父进程退出：

复制代码

if (fork() > 0) {
    exit(0); // 父进程退出
}

子进程变成孤儿进程，被 init 进程收养：
- 子进程在后台运行。
子进程创建新会话：
复制代码
```
if (setsid() < 0) {
    exit(-1); // 创建会话失败
}
```
- 子进程成为新的会话组长。
- 子进程脱离原先的终端。
更改当前工作目录：
复制代码
```
chdir("/"); // 或 chdir("/tmp");
```
- 防止守护进程的工作目录被卸载。

重设文件权限掩码：

复制代码

umask(0); // 文件权限掩码设置为 0

关闭打开的文件描述符：

复制代码

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    close(i); // 关闭标准输入、输出和错误
}

4.1 示例代码

复制代码

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

int main() {
    // 创建子进程，父进程退出
    if (fork() > 0) {
        exit(0); // 父进程退出
    }

    // 创建新会话
    if (setsid() < 0) {
        perror("setsid failed");
        exit(-1);
    }
    
// 更改当前工作目录
if (chdir("/") < 0) {
    perror("chdir failed");
    exit(-1);
}

// 重设文件权限掩码
umask(0);

// 关闭打开的文件描述符
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    close(i); // 关闭标准输入、输出和错误
}

// 执行守护进程的任务
while (1) {
    printf("Daemon process running...\n");
    sleep(10); // 模拟周期性任务
}

return 0;
}

九、守护进程的注意事项

1. 避免守护进程占用终端

守护进程不应与终端关联，否则可能会因终端关闭而退出。使用 setsid() 可以确保进程脱离终端。

2. 防止工作目录被卸载

守护进程的工作目录应设置为根目录（/）或 /tmp，避免因工作目录被卸载而导致守护进程无法运行。

3. 关闭不必要的文件描述符

守护进程不应继承父进程的文件描述符。关闭标准输入、输出和错误（stdin、stdout、stderr），并根据需要重新打开日志文件。

4. 日志记录

守护进程通常需要记录日志以便调试和监控。可以将日志写入 /var/log 或其他日志文件中，而不是直接输出到终端。

5. 示例：守护进程与日志记录

示例代码

复制代码

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

int main() {
    // 创建子进程，父进程退出
    if (fork() > 0) {
        exit(0); // 父进程退出
    }

    // 创建新会话
    if (setsid() < 0) {
        perror("setsid failed");
        exit(-1);
    }

    // 更改当前工作目录
    if (chdir("/") < 0) {
        perror("chdir failed");
        exit(-1);
    }

    // 重设文件权限掩码
    umask(0);

    // 关闭标准输入、输出和错误
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        close(i);
    }

    // 打开日志文件
    int log_fd = open("/var/log/mydaemon.log", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);
    if (log_fd < 0) {
        perror("open log file failed");
        exit(-1);
    }

    // 重定向标准输出和错误到日志文件
    dup2(log_fd, STDOUT_FILENO);
    dup2(log_fd, STDERR_FILENO);

    // 执行守护进程的任务
    while (1) {
        printf("Daemon process running...\n");
        sleep(10); // 模拟周期性任务
    }

    return 0;
}

4、linux c 进程

【三】进程

1. 进程与程序的区别

2. 进程的组成部分

3. 进程类型

4. 进程状态

5. 堆与栈

一、查看进程信息

1. ps命令

1.1 常用参数

1.2 输出字段说明

1.3 示例

2. top命令

2.1 常用操作

3. /proc目录

二、改变进程优先级

1. nice命令

1.1 命令格式

2. renice命令

2.1 命令格式

三、进程管理

1. 查看后台进程

1.1 命令

2. 将挂起的进程在后台运行

2.1 命令

3. 将后台进程放到前台运行

3.1 命令

4. 将前台进程转为后台并停止

4.1 操作

5. 后台运行程序

5.1 示例

四、创建子进程

1. fork()函数

1.1 函数原型

1.2 返回值

1.3 特点

1.4 注意事项

1.5 示例

五、进程的退出

1. exit()函数

1.1 函数原型

1.2 特点

2. _exit()函数

2.1 函数原型

2.2 特点

3. return与exit的区别

六、进程的回收

1. wait() 函数

1.1 函数原型

1.2 返回值

1.3 特点

2. waitpid() 函数

2.1 函数原型

2.2 参数说明

2.3 示例代码

示例 1：wait() 示例

示例 2：waitpid() 示例

七、exec 函数族

1. 背景

2. 作用

3. 函数原型

4. 参数说明

4.1 execl

4.2 execlp

4.3 execv

4.4 execvp

4.5 system

5. 返回值

6. 特点

7. 示例代码

示例 1：execl 示例

示例 2：execlp 示例

示例 3：execv 示例

示例 4：execvp 示例

示例 5：system 示例

exec 函数族的使用注意事项

1. 参数传递

2. 环境变量

3. 文件描述符

4. 错误处理

1. `ps`命令

2. `top`命令

3. `/proc`目录

1. `nice`命令

2. `renice`命令

1. `fork()`函数

1. `exit()`函数

2. `_exit()`函数

3. `return`与`exit`的区别

1. `wait()` 函数

2. `waitpid()` 函数

示例 1：`wait()` 示例

示例 2：`waitpid()` 示例

七、`exec` 函数族

4.1 `execl`

4.2 `execlp`

4.3 `execv`

4.4 `execvp`

4.5 `system`

示例 1：`execl` 示例

示例 2：`execlp` 示例

示例 3：`execv` 示例

示例 4：`execvp` 示例

示例 5：`system` 示例

`exec` 函数族的使用注意事项

6. 使用 `system` 的注意事项

3.2 使用 `setsid` 函数

3.3 使用 `getsid` 函数