linux 进程学习笔记

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风斩冰华
    阅读 12 分钟
    1

    linux进程学习笔记

    参考 https://www.cnblogs.com/jackl...

    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：

    #if defined __USE_XOPEN_EXTENDED || defined __USE_XOPEN2K8
/* Return the session ID of the given process.  */
extern __pid_t getsid (__pid_t __pid) __THROW;
#endif

/* Get the real user ID of the calling process.  */
extern __uid_t getuid (void) __THROW;

/* Get the effective user ID of the calling process.  */
extern __uid_t geteuid (void) __THROW;

/* Get the real group ID of the calling process.  */
extern __gid_t getgid (void) __THROW;

/* Get the effective group ID of the calling process.  */
extern __gid_t getegid (void) __THROW;

    五种进程之间转换关系如图：

    clipboard.png

    clipboard.png

    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】

    clipboard.png

    clipboard.png
    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：

    clipboard.png

    fork函数

    #include<unistd.h>
pid_t fork(void)    //子进程返回0，父进程返回子进程ID，出错返回-1.

    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：

    clipboard.png
    执行下面程序：

     #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：

    root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test# ./a.out
parent's n is:1
child's n is:-1
parent's n is:2
child's n is:-2
parent's n is:3
child's n is:-3

    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。

    • fork的应用

    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);
}

    执行结果：

    root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test# ./a.out
child's n is:-1
child's n is:-2
parent's n is:-1
parent's n is:0
parent's n is:1
parent's n is:2
parent's n is:3
parent's n is:4

    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：

    root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test# ./a.out
child's n is:-1
child's n is:-2
parent's n is:32767
parent's n is:32768
parent's n is:32769
parent's n is:32770
parent's n is:32771
parent's n is:32772

    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/...】

    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：

    clipboard.png
    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：

    clipboard.png

    execve的实现由do_execve完成，简化的实现过程如下图：

    clipboard.png

    clipboard.png

    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为打印hello，world的执行文件
    运行结果：

    root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test# ./test
>./a.out
hello,world
 child process return 0

    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);
}

    clipboard.png
    运行结果：

    root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test# ./proess
hello,world
child 2 has not exited
child 2 has not exited
child 2 has not exited
child 2 has not exited
child 2 has not exited
child 2 has not exited
child 2 has exited

    WNOHANG 改为0运行结果：

    root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test# ./proess
hello,world
child 2 has not exited
child 2 has exited

    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。

    clipboard.png

    #include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.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：

    clipboard.png

    init进程成为所有僵尸进程（孤儿进程）的父进程

    在unix/linux中，正常情况下，子进程是通过父进程创建的，子进程在创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程,即父进程永远无法预测子进程 到底什么时候结束。 当一个 进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态。

    • 孤儿进程：

    一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

    • 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。
    一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。
    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>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.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：

    clipboard.png
    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

    root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test# ps
  PID TTY          TIME CMD
 6701 pts/8    00:00:00 bash
 9756 pts/8    00:00:00 ps

    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

    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

    #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);
    }
}
    #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

    c++linux
    风斩冰华
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    coding

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