进程详解（1）——可能是最深入浅出的进程学习笔记

原文地址：http://www.cnblogs.com/jacklu/p/5317406.html

 

进程控制块（PCB）

在Linux中task_struct结构体即是PCB。PCB是进程的唯一标识，PCB由链表实现（为了动态插入和删除）。

进程创建时，为该进程生成一个PCB；进程终止时，回收PCB。

PCB包含信息：1、进程状态（state）；2、进程标识信息（uid、gid）；3、定时器（time）；4、用户可见寄存器、控制状态寄存器、栈指针等（tss）

 

每个进程都有一个非负的唯一进程ID（PID）。虽然是唯一的，但是PID可以重用，当一个进程终止后，其他进程就可以使用它的PID了。

PID为0的进程为调度进程，该进程是内核的一部分，也称为系统进程；PID为1的进程为init进程，它是一个普通的用户进程，但是以超级用户特权运行；PID为2的进程是页守护进程，负责支持虚拟存储系统的分页操作。

除了PID，每个进程还有一些其他的标识符：

 

五种进程状态转换如下图所示：

 

 

每个进程的task_struct和系统空间堆栈存放位置如下：两个连续的物理页【《Linux内核源代码情景分析》271页】

系统堆栈空间不能动态扩展，在设计内核、驱动程序时要避免函数嵌套太深，同时不宜使用太大太多的局部变量，因为局部变量都是存在堆栈中的。

 

进程的创建

新进程的创建，首先在内存中为新进程创建一个task_struct结构，然后将父进程的task_struct内容复制其中，再修改部分数据。分配新的内核堆栈、新的PID、再将task_struct 这个node添加到链表中。所谓创建，实际上是“复制”。

 

子进程刚开始，内核并没有为它分配物理内存，而是以只读的方式共享父进程内存，只有当子进程写时，才复制。即“copy-on-write”。

fork都是由do_fork实现的，do_fork的简化流程如下图：

fork函数

fork函数时调用一次，返回两次。在父进程和子进程中各调用一次。子进程中返回值为0，父进程中返回值为子进程的PID。程序员可以根据返回值的不同让父进程和子进程执行不同的代码。

一个形象的过程：

运行这样一段演示程序：

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

int main()
{
 pid_t pid;
 char *message;
 int n = 0;
 pid = fork();
 while(1){
 if(pid < 0){
 perror("fork failed\n");
 exit(1);
 }
 else if(pid == 0){
 n--;
 printf("child's n is:%d\n",n);
 }
 else{
 n++;
 printf("parent's n is:%d\n",n);
 }
 sleep(1);
 }
 exit(0);
}

 

运行结果：

可以发现子进程和父进程之间并没有对各自的变量产生影响。

一般来说，fork之后父、子进程执行顺序是不确定的，这取决于内核调度算法。进程之间实现同步需要进行进程通信。

什么时候使用fork呢？

一个父进程希望子进程同时执行不同的代码段，这在网络服务器中常见——父进程等待客户端的服务请求，当请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。

一个进程要执行一个不同的程序，一般fork之后立即调用exec

vfork函数

vfork与fork对比：

相同：

返回值相同

不同：

fork创建子进程，把父进程数据空间、堆和栈复制一份；vfork创建子进程，与父进程内存数据共享；

vfork先保证子进程先执行，当子进程调用exit()或者exec后，父进程才往下执行

为什么需要vfork？

因为用vfork时，一般都是紧接着调用exec，所以不会访问父进程数据空间，也就不需要在把数据复制上花费时间了，因此vfork就是”为了exec而生“的。

 

运行这样一段演示程序：

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

int main()
{
 pid_t pid;
 char *message;
 int n = 0;
 int i;
 pid = vfork();
 for(i = 0; i < 10; i++){
 if(pid < 0){
 perror("fork failed\n");
 exit(1);
 }
 else if(pid == 0){
 n--;
 printf("child's n is:%d\n",n);
 if(i == 1)
 _exit(0);
 //return 0;
 //exit(0);
 }
 else{
 n++;
 printf("parent's n is:%d\n",n);
 }
 sleep(1);
 }
 exit(0);
}

 

运行结果：

可以发现子进程先被执行，exit后，父进程才被执行，同时子进程改变了父进程中的数据

子进程return 0 会发生什么？

 

运行结果：

从上面我们知道，结束子进程的调用是exit()而不是return，如果你在vfork中return了，那么，这就意味main()函数return了，注意因为函数栈父子进程共享，所以整个程序的栈就跪了。 如果你在子进程中return，那么基本是下面的过程： 1）子进程的main() 函数 return了，于是程序的函数栈发生了变化。 2）而main()函数return后，通常会调用 exit()或相似的函数（如：_exit()，exitgroup()） 3）这时，父进程收到子进程exit()，开始从vfork返回，但是尼玛，老子的栈都被你子进程给return干废掉了，你让我怎么执行？（注：栈会返回一个诡异一个栈地址，对于某些内核版本的实现，直接报“栈错误”就给跪了，然而，对于某些内核版本的实现，于是有可能会再次调用main()，于是进入了一个无限循环的结果，直到vfork 调用返回 error） 好了，现在再回到 return 和 exit，return会释放局部变量，并弹栈，回到上级函数执行。exit直接退掉。如果你用c++ 你就知道，return会调用局部对象的析构函数，exit不会。（注：exit不是系统调用，是glibc对系统调用 _exit()或_exitgroup()的封装） 可见，子进程调用exit() 没有修改函数栈，所以，父进程得以顺利执行

【《vfork挂掉的一个问题》http://coolshell.cn/articles/12103.html#more-12103】

execve

可执行文件装入内核的linux_binprm结构体。

进程调用exec时，该进程执行的程序完全被替换，新的程序从main函数开始执行。因为调用exec并不创建新进程，只是替换了当前进程的代码区、数据区、堆和栈。

六种不同的exec函数：

当指定filename作为参数时：

如果filename中包含/，则将其视为路径名。

否则，就按系统的PATH环境变量，在它所指定的各个目录中搜索可执行文件。

 

*出于安全方面的考虑，有些人要求在搜索路径中不要包括当前目录。

在这6个函数中，只有execve是内核的系统调用。另外5个只是库函数，他们最终都要调用该系统调用，如下图所示：

execve的实现由do_execve完成，简化的实现过程如下图：

 

关于这些函数的区别，需要时可以查看《APUE》关于exec函数部分的内容。

 

运行这样一段演示程序：

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

char command[256];
void main()
{
   int rtn; /*child process return value*/
   while(1) {
       printf( ">" );
       fgets( command, 256, stdin );
       command[strlen(command)-1] = 0;
       if ( fork() == 0 ) {
          execlp( command, NULL );
          perror( command );
          exit( errno );
       }
           else {
          wait ( &rtn );
          printf( " child process return %d\n", rtn );
       }
   }
}

 

a.out 是一个打印hello world的可执行文件。

运行结果：

进程终止

正常终止（5种）

从main返回，等效于调用exit

调用exit

exit 首先调用各终止处理程序，然后按需多次调用fclose，关闭所有的打开流。

调用_exit或者_Exit

最后一个线程从其启动例程返回

最后一线程调用pthread_exit

异常终止（3种）

调用abort

接到一个信号并终止

最后一个线程对取消请求作出响应

 

wait和waitpid函数

wait用于使父进程阻塞，等待子进程退出；waitpid有若干选项，如可以提供一个非阻塞版本的wait，也能实现和wait相同的功能，实际上，linux中wait的实现也是通过调用waitpid实现的。

waitpid返回值：正常返回子进程号；使用WNOHANG且没有子进程退出返回0；调用出错返回-1；

运行如下演示程序

 

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

int main()
{
        pid_t pid0,pid1;
        pid0 = fork();
        if(pid0 < 0){
                perror("fork");
                exit(1);
        }
        else if(pid0 == 0){
                sleep(5);
                exit(0);//child
        }
        else{
                do{
                        pid1 = waitpid(pid0,NULL,WNOHANG);
                        if(pid1 == 0){
                                printf("the child process has not exited.\n");
                                sleep(1);
                        }
                }while(pid1 == 0);
                if(pid1 == pid0){
                        printf("get child pid:%d",pid1);
                        exit(0);
                }
                else{
                        exit(1);
                }
        }
        return 0;
}



当把第三个参数WNOHANG改为0时，就不会有上面五个显示语句了，说明父进程阻塞了。



a.out 的代码如下：


#include <stdio.h>
void main()

{
        printf("hello WYJ\n");
}

 

process.c的代码如下：

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

int main()
{
        pid_t pid_1,pid_2,pid_wait;
        pid_1 = fork();
        pid_2 = fork();
        if(pid_1 < 0){
                perror("fork1 failed\n");
                exit(1);
        }else if(pid_1 == 0 && pid_2 != 0){//do not allow child 2 to excute this process.
                if(execlp("./a.out", NULL) < 0){
                        perror("exec failed\n");
                }//child;       
                exit(0);
        }
        if(pid_2 < 0){
                perror("fork2 failded\n");
                exit(1);
        }else if(pid_2 == 0){
                sleep(10);
        }
        if(pid_2 > 0){//parent 
                do{
                        pid_wait = waitpid(pid_2, NULL, WNOHANG);//no hang
                        sleep(2);
                        printf("child 2 has not exited\n");
                }while(pid_wait == 0);
                if(pid_wait == pid_2){
                        printf("child 2 has exited\n");
                        exit(0);
                }else{
                //      printf("pid_2:%d\n",pid_2);
                        perror("waitpid error\n");
                        exit(1);

               }
        }
        exit(0);
}

 

运行结果：

 

编写一个多进程程序：该实验有 3 个进程，其中一个为父进程，其余两个是该父进程创建的子进程，其中一个子进程运行“ls -l”指令，另一个子进程在暂停 5s 之后异常退出，父进程并不阻塞自己，并等待子进程的退出信息，待收集到该信息，父进程就返回。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
 pid_t child1,child2,child;
 if((child1 = fork()) < 0){
 perror("failed in fork 1");
 exit(1);
 }
 if((child2 = fork()) < 0){
 perror("failed in fork 2");
 exit(1);
 }
 if(child1 == 0){
 //run ls -l
 if(child2 == 0){
 printf("in grandson\n");
 }
 else if(execlp("ls", "ls", "-l", NULL) < 0){
 perror("child1 execlp");
 }
 }
 else if(child2 == 0){
 sleep(5);
 exit(0);
 }
 else{
 do{
 sleep(1);
 printf("child2 not exits\n");
 child = waitpid(child2, NULL, WNOHANG);
 }while(child == 0);
 if(child == child2){
 printf("get child2\n");
 }
 else{
 printf("Error occured\n");
 }
 }
}

 

运行结果：

init进程成为所有僵尸进程（孤儿进程）的父进程

僵尸进程

在进程调用了exit之后，该进程并非马上就消失掉，而是留下了一个成为僵尸进程的数据结构，记载该进程的退出状态等信息供其他进程收集，除此之外，僵尸进程不再占有任何内存空间。

子进程结束之后为什么会进入僵尸状态？ 因为父进程可能会取得子进程的退出状态信息。

如何查看僵尸进程？

linux中命令ps，标记为Z的进程就是僵尸进程。

执行下面一段程序：

 

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
 pid_t pid;
 pid = fork();
 if(pid < 0){
 printf("error occurred\n");
 }else if(pid == 0){
 exit(0);
 }else{
 sleep(60);
 wait(NULL);
 }
}

运行结果：

  

ps -ef|grep defunc可以找出僵尸进程

ps -l 可以得到更详细的进程信息

运行结果显示：

运行两次之后发现有两个Z进程，然后等待一分钟后，Z进程被父进程回收。

其中S表示状态：

O：进程正在处理器运行

S：休眠状态

R：等待运行

I：空闲状态

Z：僵尸状态

T：跟踪状态

B：进程正在等待更多的内存分页

C：cpu利用率的估算值

收集僵尸进程的信息，并终结这些僵尸进程，需要我们在父进程中使用waitpid和wait，这两个函数能够手机僵尸进程留下的信息并使进程彻底消失。

守护进程Daemon

是linux的后台服务进程。它是一个生存周期较长的进程，没有控制终端，输出无处显示。用户层守护进程的父进程是init进程。

守护进程创建步骤：

1、创建子进程，父进程退出，子进程被init自动收养；fork    exit

2、调用setsid创建新会话，成为新会话的首进程，成为新进程组的组长进程，摆脱父进程继承过来的会话、进程组等；setsid

3、改变当前目录为根目录，保证工作的文件目录不被删除；chdir（“/”）

4、重设文件权限掩码，给子进程更大的权限；umask（0）

5、关闭不用的文件描述符，因为会消耗资源；close

 

一个守护进程的实例：每隔10s写入一个“tick”

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#define MAXFILE 65535

int main()
{
 int fd,len,i;
 pid_t pid;
 char *buf = "tick\n";
 len = strlen(buf);
 if((pid = fork()) < 0){
 perror("fork failed");
 exit(1);
 }
 else if(pid > 0){
 exit(0);
 }
 setsid();
 if(chdir("/") < 0){
 perror("chdir failed");
 exit(1);
 }
 umask(0);
 for(i = 0; i < MAXFILE; i++){
 close(i);
 }
 while(1){
 if((fd = open("/tmp/dameon.log", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0600)) < 0){
 perror("open log failed");
 exit(1);
 }
 write(fd, buf, len+1);
 close(fd);
 sleep(10);
 }
}

运行结果：

 

 

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<syslog.h>
#define MAXFILE 65535
 
int main()
{
 int fd,len,i;
 pid_t pid,child;
 char *buf = "tick\n";
 len = strlen(buf);
 if((pid = fork()) < 0){
 perror("fork failed");
 exit(1);
 }
 else if(pid > 0){
 exit(0);
 }
 openlog("Jack", LOG_PID, LOG_DAEMON);
 if(setsid() < 0){
 syslog(LOG_ERR, "%s\n", "setsid");
 exit(1);
 }

 if(chdir("/") < 0){
 syslog(LOG_ERR, "%s\n", "chdir");
 exit(1);
 }
 umask(0);
 for(i = 0; i < MAXFILE; i++){
 close(i);
 }
 if((child = fork()) < 0){
 syslog(LOG_ERR, "%s\n", "fork");
 exit(1);
 }
 if(child == 0){
 //printf("in child\n");//can not use terminal from now on.
 syslog(LOG_INFO, "in child");
 sleep(10);
 exit(0);
 }
 else{
 waitpid(child, NULL, 0);
 //printf("child exits\n");//can not use terminal from now on.
 syslog(LOG_INFO, "child exits");
 closelog();
 while(1){
 sleep(10);
 }
 }

}

 

真正编写调试的时候会发现需要杀死守护进程。

如何杀死守护进程？

ps -aux  找到对应PID

kill -9 PID

 

  

其他参考资料：

《APUE》

《操作系统》清华大学公开课 向勇、陈渝

《嵌入式Linux应用程序开发详解》

《LInux 的僵尸（zombie）进程》http://coolshell.cn/articles/656.html

《Linux下僵尸进程的处理》http://www.mike.org.cn/articles/treatment-of-zombie-processes-under-linux/