Linux 入门八：Linux 多进程

一、概述

1.1 什么是进程？

在 Linux 系统中，进程是程序的一次动态执行过程。程序是静态的可执行文件，而进程是程序运行时的实例，系统会为其分配内存、CPU 时间片等资源。例如，输入 ls 命令时，系统创建进程执行 ls 程序来显示文件列表。进程是资源分配的基本单位，理解进程对掌握 Linux 系统运行机制至关重要。

1.2 查看进程

在 Linux 中，可使用 ps 命令查看系统中当前运行的进程。下面是一些常用的 ps 命令参数组合：

• ps -ef：

• • 功能：以全格式显示所有进程的详细信息。

• • 步骤：

1. 1. 1. 打开终端。

1. 1. 1. 输入 ps -ef 并回车。

• • 示例输出：

UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD

root 1 0 0 00:00 ? 00:00:01 /sbin/init splash

root 2 0 0 00:00 ? 00:00:00 [kthreadd]

• 参数解释：

• • UID：进程所有者的用户 ID。

• • PID：进程的 ID 号。

• • PPID：父进程的 ID 号。

• • C：CPU 占用率。

• • STIME：进程启动时间。

• • TTY：进程关联的终端。

• • TIME：进程使用的 CPU 时间。

• • CMD：启动进程的命令。

在 Linux 中，除了 ps -ef，还可使用以下命令查看进程：​

• ps aux：

• 功能：显示所有进程的详细资源使用情况（如内存、CPU 占用率）。

• 示例输出：

  TypeScript

  取消自动换行复制

  USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND ​

  root 1 0.0 0.1 24176 4360 ? Ss 00:00 0:01 /sbin/init splash ​

• %CPU：CPU 占用百分比。

• %MEM：内存占用百分比。

• STAT：进程状态（如 S 表示睡眠，R 表示运行）。

• top 命令：

• 功能：动态实时显示进程资源占用情况，类似 Windows 任务管理器。

• 操作：输入 top 后，可按 q 退出。

二、进程的创建

2.1 fork 函数

在 C 语言里，fork 函数是创建新进程的关键函数。它的作用是复制当前进程，生成一个子进程，原进程则成为父进程。fork 函数的原型如下：

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

• 返回值：

• • 在父进程中，fork 函数返回子进程的 PID（一个正整数）。

• • 在子进程中，fork 函数返回 0。

• • 若 fork 失败，返回 -1。

创建进程的步骤

1. 包含必要的头文件：#include <unistd.h> 和 #include <stdio.h>。

1. 调用 fork 函数创建子进程。

1. 根据 fork 的返回值判断当前是父进程还是子进程，并执行相应的代码。

示例代码

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

} else if (pid == 0) {

// 子进程

printf("我是子进程，我的 PID 是 %d，父进程的 PID 是 %d\n", getpid(), getppid());

} else {

// 父进程

printf("我是父进程，我的 PID 是 %d，子进程的 PID 是 %d\n", getpid(), pid);

}

return 0;

}

编译和运行步骤

1. 把上述代码保存为 fork_example.c。

1. 打开终端，进入代码所在目录。

1. 使用 gcc 编译代码：gcc fork_example.c -o fork_example。

1. 运行编译后的可执行文件：./fork_example。

三、僵尸进程

3.1 形成条件

僵尸进程的形成需要满足以下三个条件：

1. 子进程优先于父进程结束。

1. 父进程不结束。

1. 父进程不调用 wait 函数。

当子进程结束时，它会向父进程发送一个 SIGCHLD 信号，但如果父进程没有调用 wait 或 waitpid 函数来回收子进程的资源，子进程就会变成僵尸进程。

3.2 如何避免僵尸进程

方法一：父进程调用 wait 函数

wait 函数的作用是等待任意一个子进程结束，并回收其资源。其原型如下：

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);

• 参数：status 用于存储子进程的退出状态。

• 返回值：返回结束的子进程的 PID。

示例代码

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

} else if (pid == 0) {

// 子进程

printf("子进程开始执行，PID 是 %d\n", getpid());

sleep(2);

printf("子进程结束\n");

} else {

// 父进程

int status;

pid_t child_pid = wait(&status);

printf("父进程回收了 PID 为 %d 的子进程\n", child_pid);

}

return 0;

}

方法二：使用 signal 函数处理 SIGCHLD 信号

可通过 signal 函数捕获 SIGCHLD 信号，并在信号处理函数中调用 wait 或 waitpid 函数。

示例代码

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

#include <signal.h>

void sigchld_handler(int signo) {

pid_t pid;

int status;

while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {

printf("回收了 PID 为 %d 的子进程\n", pid);

}

}

int main() {

signal(SIGCHLD, sigchld_handler);

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

} else if (pid == 0) {

// 子进程

printf("子进程开始执行，PID 是 %d\n", getpid());

sleep(2);

printf("子进程结束\n");

} else {

// 父进程

printf("父进程继续执行\n");

sleep(5);

}

return 0;

}

四、孤儿进程

4.1 形成条件

孤儿进程的形成需要满足以下两个条件：

1. 父进程优先于子进程结束。

1. 子进程未结束。

当父进程结束后，子进程就会变成孤儿进程，此时它会被进程 ID 为 1 的 init 进程接管。

4.2 被进程 ID 为 1 的进程接管

init 进程会负责回收孤儿进程的资源，确保系统资源不会被浪费。

示例代码

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

} else if (pid == 0) {

// 子进程

printf("子进程开始执行，父进程 PID 是 %d\n", getppid());

sleep(5);

printf("子进程继续执行，父进程 PID 是 %d\n", getppid());

} else {

// 父进程

printf("父进程结束\n");

}

return 0;

}

在这个示例中，父进程会先结束，子进程在睡眠 5 秒后，会发现自己的父进程 ID 变成了 1。

五、守护进程（后台进程）

5.1 实现过程

守护进程是一种在后台持续运行的进程，通常在系统启动时就开始运行，并且不受用户登录和注销的影响。以下是创建守护进程的详细步骤：

步骤 1：创建子进程，父进程退出

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

if (pid > 0) {

// 父进程退出

exit(EXIT_SUCCESS);

}

// 子进程继续执行

// 后续步骤...

return 0;

}

步骤 2：在子进程中创建新会话

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

if (pid > 0) {

// 父进程退出

exit(EXIT_SUCCESS);

}

// 子进程创建新会话

pid_t sid = setsid();

if (sid < 0) {

perror("setsid 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 后续步骤...

return 0;

}

setsid 函数的作用是创建一个新的会话，使子进程成为新会话的首进程，并且脱离原有的控制终端。

步骤 3：改变工作目录

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

if (pid > 0) {

// 父进程退出

exit(EXIT_SUCCESS);

}

// 子进程创建新会话

pid_t sid = setsid();

if (sid < 0) {

perror("setsid 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 改变工作目录

if (chdir("/") < 0) {

perror("chdir 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 后续步骤...

return 0;

}

chdir 函数用于将工作目录切换到根目录，避免工作目录被卸载导致进程无法正常工作。

步骤 4：设置文件权限掩码

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

if (pid > 0) {

// 父进程退出

exit(EXIT_SUCCESS);

}

// 子进程创建新会话

pid_t sid = setsid();

if (sid < 0) {

perror("setsid 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 改变工作目录

if (chdir("/") < 0) {

perror("chdir 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 设置文件权限掩码

umask(0);

// 后续步骤...

return 0;

}

umask 函数用于设置文件权限掩码，确保守护进程创建的文件具有预期的权限。

步骤 5：关闭不需要的文件描述符

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int main() {

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid < 0) {

perror("fork 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

if (pid > 0) {

// 父进程退出

exit(EXIT_SUCCESS);

}

// 子进程创建新会话

pid_t sid = setsid();

if (sid < 0) {

perror("setsid 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 改变工作目录

if (chdir("/") < 0) {

perror("chdir 失败");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 设置文件权限掩码

umask(0);

// 关闭不需要的文件描述符

close(STDIN_FILENO);

close(STDOUT_FILENO);

close(STDERR_FILENO);

// 守护进程的主循环

while (1) {

// 执行守护进程的任务

sleep(1);

}

return 0;

}

关闭标准输入、标准输出和标准错误输出的文件描述符，防止守护进程与控制终端交互。

编译和运行步骤

1. 把上述代码保存为 daemon_example.c。

1. 打开终端，进入代码所在目录。

1. 使用 gcc 编译代码：gcc daemon_example.c -o daemon_example。

1. 运行编译后的可执行文件：./daemon_example。此时，守护进程会在后台持续运行。

通过以上步骤，你可以逐步掌握 Linux 多进程的相关知识，包括进程的创建、僵尸进程和孤儿进程的处理，以及守护进程的实现。在实际应用中，多进程编程可以提高程序的并发性能，充分利用多核 CPU 的资源。