LinuxC高级编程——进程

宗旨：技术的学习是有限的，分享的精神是无限的。

        每个进程在内核中都有一个进程控制块（ PCB）来维护进程相关的信息， Linux内核的 进程控制块是task_struct结构体。PCB包含的信息：

（1）进程id。系统中每个进程有唯一的id，在C语言中用pid_t类型表示，其实就是一个非负整 数。

（2）进程的状态，有运行、挂起、停止、僵尸等状态。

（3）进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器。 描述虚拟地址空间的信息。

（4）描述控制终端的信息。

（5）当前工作目录（Current Working Directory） 。
（6）umask掩码。

（7）文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针。

（8）和信号相关的信息。 用户id和组id。

（9）控制终端、Session和进程组。

（10）进程可以使用的资源上限（Resource Limit）

一、环境变量

        libc中定义的全局变量environ指向环境变量表， environ没有包含在任何头文件中，所以在使用时要用extern声明。

#include<stdio.h>int main(void)
{extern char **environ;int i;for(i = 0; environ[i] != NULL; i++){printf("%s\n", environ[i]);}return 0;
}<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);"> </span>

比较重要的环境变量：

PATH：可执行文件的搜索路径。

SHELL：当前SHELL，通常是/bin/bash。

TERM：当前终端类型。在图形界面下通常是xterm。

LANG：语言和locale，决定了字符编码以及时间、货币等信息的显示格式。

HOME：当前用户主目录的路径，很多程序需要在主目录下保存配置文件，使得每个用户在运行该程 序时都有自己的一套配置。

 

二、fork()系统调用

        fork的作用是根据一个现有的进程复制出一个新 进程，原来的进程称为父进程（Parent Process） ，新进程称为子进程（Child Process）。系统中 同时运行着很多进程，这些进程都是从最初只有一个进程开始一个一个复制出来的。在Shell下输入 命令可以运行一个程序，是因为Shell进程在读取用户输入的命令之后会调用fork复制出一个新 的Shell进程，然后新的Shell进程调用exec执行新的程序。

例如：在Shell提示符下输入命令ls，首先fork创建子进程，这时父进程仍在执行/bin/bash程序，然后子进程调用exec执行新的程序/bin/ls

除了子进程和父进程的进程ID不同，其他资源一模一样。

——创建子进程

（1）函数原型：

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

（2）参数——无

（3）返回值

        fork调用失败则返回-1，返回进程pid，pid大于0：父进程；pid等于0：子进程。执行顺序不定，根据内核的调度算法。

        特点：调用一次，返回两次。

setfollow-fork-mode child命令设置gdb在fork之后跟踪子进程（ set follow-fork-mode
parent则是跟踪父进程），然后用run命令，看到的现象是父进程一直在运行

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(void)
{pid_t pid;char *message;int n;pid = fork();if (pid < 0){perror("fork failed");exit(1);}if (pid == 0){message = "This is the child\n";n = 6;}else{message = "This is the parent\n";n = 3;}for(; n > 0; n--){printf(message);sleep(1);}return 0;
}

三、exec函数族

        用fork()创建子进程后执行的是个父进程一样的程序，子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。exec不创建新进程，所以进程id不变。

1、exec函数族详解

（1）、函数原型

#include<unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

（2）、参数——可变参数

（3）、返回值

       这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行，不再返回，如果调用出错则返回-1，所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。 

2、记忆这些函数的规则

（1）不带字母p（表示path）的exec函数第一个参数必须是程序的相对路径或绝对路径。

（2）对于带字母p的函数：如果参数中包含/，则将其视为路径名。否则视为不带路径的程序名，在PATH环境变量的目录列表中搜索这个程序。

（3）带有字母l（表示list）的exec函数要求将新程序的每个命令行参数都当作一个参数传给它，命令行参数的个数是可变的，因此函数原型中有...，...中的最后一个可变参数应该是NULL， 起sentinel的作用。

（4）对于带有字母v（表示vector）的函数，则应该先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组的首地址当作参数传给它，数组中的最后一个指针也应该NULL，就像main函数的argv参数或者环境变量表一样。

（5）对于以e（表示environment）结尾的exec函数，可以把一份新的环境变量表传给它，其他exec函数 仍使用当前的环境变量表执行新程序。

只有execve是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用execve。通过man可以验证，man 2 execve，其余的都是man 3。

char*const ps_argv[] = {"ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL};
char*const ps_envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
execl("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
execv("/bin/ps", ps_argv);
execle("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL, ps_envp);
execve("/bin/ps", ps_argv, ps_envp);
execlp("ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
execvp("ps", ps_argv);<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);"> </span>

四、wait和waitpid函数

        僵尸（ Zombie）进程：一个进程已经终止，但是它的父进程尚未调用wait或waitpid对它进行清理，这时的进程状态称为僵尸进程。

（1）函数原型

#include<sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

（2）参数

（3）返回值

        若调用成功则返回清理掉的子进程id，若调用出错则返回-1。父进程调用wait或waitpid时可能会： 阻塞（如果它的所有子进程都还在运行）。 带子进程的终止信息立即返回（如果一个子进程已终止，正等待父进程读取其终止信息）。 出错立即返回（如果它没有任何子进程）。

        区别：如果父进程的所有子进程都还在运行，调用wait将使父进程阻塞，而调用waitpid时如果 在options参数中指定WNOHANG可以使父进程不阻塞而立即返回0。wait等待第一个终止的子进程，而waitpid可以通过pid参数指定等待哪一个子进程。

        调用：pid = wait(NULL); // 如果成功，wait会返回被收集的子进程的进程ID，如果调用进程没有子进程，调用就会失败，此时wait返回-1，同时errno被置为ECHILD。 

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(void)
{pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0){perror("fork failed");exit(1);}if (pid == 0){int i;for (i = 3; i > 0; i--){printf("This is the child\n");sleep(1);}exit(3);}else{int stat_val;waitpid(pid, &stat_val, 0);if (WIFEXITED(stat_val)){printf("Child exited with code%d\n", WEXITSTATUS(stat_val));}else if (WIFSIGNALED(stat_val)){printf("Child terminated abnormally,signal %d\n", WTERMSIG(stat_val));}}return 0;
}