#Linux中的GCC編程# 進程相關的知識

基於C，進一步研究 linux內核函數，系統級別的函數

2017年8月

1. 知識瞭解

1.1 基本概念：

（1）程序 program
被存放在磁盤中的可執行文件。
（2）進程 process
是程序的執行實例。每個進程具有獨立的權限和職責，運行在各自的虛擬地址空間中。
進程之間不會相互影響，但可以進行通信。
（3）進程ID，process ID簡稱PID
非負整數，進程的數字標識符。

1.2 啓動例程

（1）“啓動例程”被編譯在main之前運行。
（2）收集命令行的參數，傳遞給main中的argc，argv。以及環境表envp。
（3）登記“終止函數”atexit()。

1.3 進程的終止

（1）正常終止

• 從main函數返回 （return）
• 調用exit（標準C庫函數）
• 調用_exit或_Exit（系統調用）
• 最後一個線程從“啓動例程”返回
• 最後一個線程調用pthread_exit

注意：
return和exit()，會刷新標準IO緩存，會自動調用終止函數。
_exit()和_Exit(),不刷新，也不調用。

（2）異常終止

• 調用abort
• 接收一個信號並終止
• 最後一個線程對“取消”請求 做出響應

（3）進程返回

• 通常程序成功返回0，否則返回非0
• 在shell中，可以產看進程返回值（echo $?）

（4）終止函數

#include <stdio.h>
int atexit(void (*function)(void));
向內核登記終止函數，成功返回0，否則-1

• 每個啓動的進程都默認登記一個標準的終止函數
• 終止函數在進程終止時釋放進程所佔用的一些資源
• 登記多個終止函數，執行順序以棧的方式執行，先登記後執行。

1.4 示意圖

1.5 進程資源限制

linux中可用的資源resource如下：

RLIMIT_AS 			進程可用的存儲區大小
RLIMIT_CORE 		core文件最大字節數
RLIMIT_CPU 			CPU時間最大值
RLIMIT_DATA			數據段最大長度
RLIMIT_FSIZE		可創建文件的最大長度
RLIMIT_LOCKS		文件鎖的最大數
RLIMIT_MEMLOCK使用mlock能否在存儲器中鎖定的最長字節數
RLIMIT_NOFILE		能打開的最大文件數
RLIMIT_NPROC		每個用戶ID可擁有的最大子進程數
RLIMIT_RSS			最大駐內存集的字節長度
RLIMIT_STACK		棧的最大長度

1. 頭文件

#include <sys/resource.h>

struct rlimit{
	rlim_t rlim_cur;/*軟件限制：當前限制*/
	rlim_t rlim_max;/*硬件限制：當前限制可以達到的最大值*/
}

2. 函數

（1）獲取進程的資源限制，存放在rlptr指向 的結構體中。成功返回0，失敗非0。
int getrlimit(int resource , struct rlimit *rlptr);

（2）修改resource指定的資源限制，通過rlptr指向的結構體。成功返回0
int setlimit(int resource,const struct rlimie *rlptr);

3. 配置文件
   （1）/etc/security/limits.conf
   （2）linux中，進程資源的初始化由0號進程建立，並被後續進程繼承。
4. 資源限制的修改規則
   （1）硬件資源限制必須大於等於軟件限制。
   （2）任何一進程可以降低或者提升其軟件資源限制，但必須大於其軟件限制。普通用戶不可逆此操作。
   （3）超級用戶可以提高硬件限制。

2. 與進程有關的指令

2.1 PS指令

可以查看到：進程ID（PID），進程的用戶ID，進程狀態STAT，進程的command等等。

3. 進程常見狀態

3.1 運行狀態

系統當前的進程
就緒狀態進程
PS命令的stat列 == R

3.2 等待狀態

等待事件發生
等待系統資源
PS命令的stat列 == S

3.3 停止狀態

PS命令的stat列 == T

3.4 殭屍狀態

進程終止或結束
在進程表項中仍有記錄
PS命令的stat列 == Z

3.5 進程狀態的變換關係

4. 進程的調度

4.1 一般性步驟

（1）處理內核中的工作
（2）處理當前進程
（3）選擇進程（實時進程和普通進程）
（4）進程交換

4.2 task_struct中的調度信息

（1）策略

• 輪流策略
• 先進先出策略

（2）優先權

• jiffies變量

（3）實時優先權

• 實時進程之間

（4）計數器

5. 進程標識

進程有很多的標識：
當前進程ID，實際用戶ID，有效用戶ID，用戶組ID，父進程ID，進程組ID。
與此相關的函數：

1. 頭文件

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

2. 獲取進程標識的函數

pid_t getpid(void);           //獲取當前進程的ID標識
pid_t getppid(void);         //獲取父進程的ID標識
pid_t getpgrp(void);        //獲取當前進程所在的進程組ID標識。
pid_t getpgid(pid_t pid);  //獲取指定ID的進程所在的進程組ID標識。

uid_t getuid(void);           //獲取當前進程的 實際用戶ID
uid_t geteuid(void);          //獲取當前進程的 有效用戶ID

gid_t getgid(void);           //獲取當前進程的用戶組ID

6. 進程的創建

本文的重點內容。

6.1 創建子進程的函數 fork

1. fork函數
   fork創建的新進程被稱爲子進程。該函數被調用一次，會返回兩次。
   返回兩次的區別：
   （1）在父進程裏，返回的是 新子進程的進程ID。
   （2）在新子進程裏，返回的是0。因爲子進程的數據段、堆、棧都是重新創建的。
   （3）父和子進程的運行順序，根據系統調度自動決定。
   （4）子進程複製父進程的內存空間。

2. vfork函數
   與fork類似，但是 子進程先行運行，且不復制父進程的內存空間。

3. 子進程的繼承屬性

• 用戶信息和權限
• 目錄信息，信號信息，環境，資源限制
• 共享存儲段，堆，棧和數據段，共享代碼段

4. 子進程的特有屬性

• 進程ID
• 鎖信息
• 運行時間
• 未決信號

5. 操作文件時內核結構變化

• 子進程繼承文件描述表，不繼承但共享文件表項和i-node。
• 創建一個子進程後，文件表項中的引用計數器加1變成2，當父進程作close操作後，計數器減1。子進程還是可以使用文件表項。只有當計數器爲0時，纔會釋放文件表項。

6.2 進程寄生 exec函數簇

• exec函數用於執行另一個程序。新執行的程序會替換原進程的正文，數據，堆，棧。
• exec並不是創建新進程，前後的進程ID並沒有改變。
• 在fork創建一個子進程之後，可以在子進程中使用exec函數執行另一個程序。

1. 頭文件

#include <unistd.h>

2.函數

//list 列出每個字符參數
int execl(const char *pathname,const char *arg0, ... /*(char*)0*/);
//argv 字符數組
int execv(const char *pathname,char * const argv[]);
//list 列出每個字符參數，環境表
int execle(const char *pathname,const char *arg0, ... /*(char*)0,char* const envp[]*/);
//argv 字符數組，環境表
int execve(const char *pathname,char * const argv[],char* const envp[]);
//
int execlp(const char *pathname,const char *arg0, ... /*(char*)0*/);
//
int execvp(const char *pathname,char * const argv[]);

上述所有的返回：出錯返回-1 ，成功不返回。

6.3 system函數

• system函數，內部構件一個子進程，由子進程調用exec函數。

1. 頭文件

#include <stdlib.h>

2.函數

簡化exec函數的使用，成功返回執行命令的狀態，錯誤返回-1
int system(const char * command);

7. 幾種特殊的進程

7.1 守護進程 daemon

• 守護進程是生存期很長的一種進程。他們常常在系統引導裝入時啓動，在系統關閉時終止。
• 所有守護進程都是以超級用戶（用戶ID爲0）的優先權運行。
• 守護進程沒有控制終端。
• 守護進程的父進程都是init進程。

7.2 孤兒進程

• 父進程結束，子進程就成了孤兒進程。由1號進程（init進程）領養。

7.3 殭屍進程

• 子進程結束，但是沒有完全釋放內存（在內核中的task_struct沒有釋放）。該進程就成了殭屍進程。
• 當殭屍進程的父進程結束，由1號進程（init進程）領養，最終回收。
• 如何避免殭屍進程：
  （1）讓殭屍進程的父進程來回收。父進程每隔一段時間來查詢子進程是否結束並回收。調用wait()或者waitpid(),通知內核釋放殭屍進程。
  （2）採用信號SIGCHLD，通知處理。並在信號處理程序中調用wait()。
  （3）讓殭屍進程成爲孤兒進程，由init進程來回收。

1. 頭文件

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

2. 函數

（1）等待子進程退出並回收。防止殭屍進程。成功返回子進程ID，出錯返回-1。
pid_t wait(int *status);

（2）wait函數的非阻塞版本。成功返回子進程ID，出錯返回-1。
pid_t waitpid(pid_t pid , int * status ,int options);

	1）pid參數。
			pid==-1   //等待任一子進程，功能和wait等效。
			pid== 0   //等待 同進程組ID的任一子進程。
			pid >  0   //等待指定的子進程
			pid < -1   //等待 組ID等於（-pid）的任一子進程。
	2）status參數。爲空時，等待回收【任意狀態】結束的子進程。不爲空，則等待【指定狀態】結束的子進程。
         檢查wait和waitpid函數返回終止狀態的宏
				WIFEXITED/WEXITSTATUS(status)    //若爲正常終止子進程返回的狀態，則爲真。
				WIFSIGNALED/WTERMSIG(status)    //若爲異常終止子進程返回的狀態，則爲真。（接到一個不能捕捉的信號）
				WIFSTOPED/WSTOPSIG(status)     //若爲當前暫停子進程返回的狀態，則爲真。
	3）options參數。
				WNOHANG    //若由pid指定的子進程沒有退出，則立即返回。waitpid不阻塞，返回值爲0。
				WUNTRACED    //若某實現支持 作業控制，則有pid指定的任一子進程狀態已暫停，其狀態自暫停以來還沒有報告過，則返回其狀態。

3. wait和waitpid函數的區別
   （1）在一個子進程終止前，wait使其調用者阻塞。waitpid 不會阻塞。
   （2）wait等待所有的子進程；waitpid等待指定的子進程。

8. 進程組

• 一個或者多個進程的集合
• 可以接收同一終端的各種信號。同組共信號。
• 唯一的進程組ID
• 組內所有的進程結束，進程組纔會消亡。
• kill命令 發送信號給進程組。

8.1 獲取進程組號

前文已經給出：

#include <unistd.h>
pid_t getpgrp(void);        //獲取當前進程所在的進程組ID標識。
pid_t getpgid(pid_t pid);  //獲取指定ID的進程所在的進程組ID標識。

8.2 組長進程

• 進程組的創建從第一個進程（組長進程）加入開始。組長進程的ID作爲組ID。
• 組長進程可以創建進程組以及該組中的進程。

1. 頭文件

#include <unistd.h>

2. 函數

(1) 將進程加入到指定的進程組中。成功返回0，錯誤返回-1。
int setpgid(pid_t pid,pid_t pgid);

(2) pid參數爲指定的進程號，pgid爲進程組。

8.3 前臺進程組

• 在linux中，自動接收終端信號的組，成爲前臺進程組。
• 在終端中，CTRL+c 之類的信號，首先被前臺進程組接收。
• shell啓動的若干個進程組，默認父進程所在的組爲前臺進程組。

1. 頭文件

#include <unistd.h>

2. 函數

（1）獲取前臺進程組ID。成功返回 前臺進程組ID，錯誤返回-1。
pid_t tcgetpgrp(int fd); 

（2）使用pgrpid，設置前臺進程組ID
int tcsetpgrp(int fd,pid_t pgrpid);

（3）fd必須引用該會話的控制終端。0表示當前正在使用的終端。