Linux下的进程概论与编程二（进程控制）

一、进程标识符

1、每个进程都有非负的整形表示唯一的进程ID。

几个典型进程的ID及其功能：

2、除了进程ID，每个进程还有一些其他的标识符。

下列函数返回这些标识符：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void); //返回值:调用进程的进程ID
pid_t getppid(void); //返回值：调用进程的父进程ID
uid_t getuid(void); //返回值：调用进程的实际用户ID
uid_t geteuid(void); //返回值：调用进程的有效用户ID
gid_t getgid(void); //返回值：调用进程的实际组ID
gid_t getegid(void); //返回值：调用进程的有效组ID

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int uid;int euid;pid_t pid;pid_t ppid;pid = fork();if (pid < 0){printf("fork faile!!\n");return 0;}else if (pid == 0){printf("pid: %d, ppid: %d, gid: %d, euid: %d,egid: %d\n",getpid(), getppid(), getuid(), geteuid(), getegid());}else{printf("pid: %d, ppid: %d, gid: %d, euid: %d,egid: %d\n",getpid(), getppid(), getuid(), geteuid(), getegid());}return 0;
}

二、实际用户和有效用户

1、实际用户ID和实际用户组ID：
标识我是谁。也就是登录用户的uid和gid，比如我的Linux以 wzb登录，在Linux运行的所有的命令的实际用户ID都是wzb的uid，实际用户组ID都是wzb的gid（可以用id命令查看）。

2、有效用户ID和有效用户组ID：
进程用来决定我们对资源的访问权限。一般情况下，有效用户ID等于实际用户ID，有效用户组ID等于实际用户组ID。当设置-用户-ID
（SUID）位设置，则有效用户ID等于文件的所有者的uid，而不是实际用户ID；同样，如果设置了设置-用户组-ID（SGID）位，则有效用户组ID等于文件所有者的gid，而不是实际用户组ID。

实际用户ID/实际组ID标识进程究竟是谁（即是进程在系统的唯一标识），有效用户ID/有效组ID/附加组ID决定了进程的访问权限。
suid (chmod u+s file)只能应用在可执行文件上，允许任意用户在执行文件时以文件拥有者的身份执行。
sgid (chmod g+s file)只能应用在可执行文件上，使任意用户在执行可执行文件时，将以拥有组成员的身份执行。

说明：suid 和 sgid 表示在bin在运行时，会具有拥有着的权限，换句话说，只要运行该可执行程序，那么运行者也是有权限对拥有者的所有相关文件（可执行程序会读写）进行操作。

三、进程创建

1、fork函数

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

1>一个现有进程可以调用fork创建一个新进程。
返回值：子进程中返回0，父进程中返回子进程ID，出错返回-1。子进程是父进程的副本。例如：子进程获得父进程数据空间、堆和栈的副本（主要是数据结构的副本）。父子进程不共享这些存储空间部分。父子进程共享正文段。

由于fork之后经常归属exec，所以现在很多实现并不执行一个父进程数据段、栈和堆的完全复制。作为替代，使用了写时拷贝(Copy-On-Write)技术。这些区域由父子进程共享，而且内核将他们的访问权限改变为只读的。如果父子进程中的任一个试图修改这些区域，则内核只为修改区域的那块内存制作一个副本。
2>一般来说fork之后父进程和子进程的执行顺序是不确定的，这取决于内核的调度算法。
fork的一个特性是父进程的所有打开文件描述符都被复制到子进程中。父子进程的每个相同的打开描述符共享一个文件表项。假设一个进程有三个不同的打开文件，在从fork返回时，我们有如下所示结构:

3>在fork之后处理的文件描述符有两种常见的情况：
1. 父进程等待子进程完成。在这种情况下，父进程无需对其描述符做任何处理。当子进程终止后，子进程对文件偏移量的修改已执行的更新。
2. 父子进程各自执行不同的程序段。这种情况下，在fork之后，父子进程各自关闭他们不需要使用的文件描述符，这样就不会干扰对方使用文件描述符。这种方法在网络服务进程中经常使用。
4>父子进程之间的区别：
1. fork的返回值
2. 进程ID不同
3. 具有不同的父进程ID
4. 子进程的tms_utime、tms_stime、tms_cutime及tms_ustime均被设置为0
5. 父进程设置的文件锁不会被子进程继承
6. 子进程的未处理闹钟被清除
7. 子进程的未处理信号集被设置为空集
5>fork有下面两种用法：
1. 一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
2. 一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。

6>fork调用失败的原因：
1. 系统中有太多的进程
2. 实际用户的进程数超过了限制

2、vfork函数
vfork用于创建一个新进程，而该新进程的目的是exec一个新程序。vfork与fork都创建一个子进程，但它不将父进程的地址空间复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec，于是不会存访问该地址空间。相反，在子进程调用exec或exit之前，它在父进程的空间中运行，也就是说会更改父进程的数据段、栈和堆。vfork和fork另一区别在于：vfork保证子进程先运行，在它调用exec或（exit）之后父进程才可能被调度运行。

四、进程等待

1>为什么要进行进程等待？
用来回收子进程状态（如僵尸状态），回收子进程的信息和资源。
进程的退出码：main函数的返回值或exit的参数，进程的退出码用来判断进程运行是否正确。

2>wait和waitpid函数作用
一个进程在终止时会关闭所有文件描述符,释放在用户空间分配的内存,但它的PCB还保留着,内核在其中保存了一些信息:
如果是正常终止则保存着退出状态,如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。这个进程的父进程可以调用wait或waitpid获取这些信息,然后彻底清除掉这个进程。
当一个进程正常或异常终止时，内核就向其父进程发送一个SIGCHLD信号。因为子进程终止是一个异步事件，所以发生这种信号也是内核向父进程发的异步通知。父进程可以选择忽略该信号，或者提供一个该信号发生时即被调用执行的函数。对于这种信号的系统默认动作是忽略它。

3>调用wait或waitpid的进程可能会发生什么情况:
1.如果其所有子进程都还在运行，则阻塞
2.如果一个子进程已终止，正等待父进程获取其终止状态，则取得该子进程的终止状态立即返回。
3.如果它没有任何子进程，则立即出错返回。

4>wait函数
用来等待任何一个子进程退出，由父进程调用。

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t  wait(int* status)

返回值：成功返回被等待子进程的pid，失败返回-1
status:输出型参数，拿回子进程的退出信息，不关心则可以设置成为NULL
wait:阻塞式调用，等待的子进程不退出时，父进程一直不退出

如果进程由于接收到SIGCHLD而调用wait，则可期望wait会立即返回。但如果在任意时刻调用wait，则进程可能阻塞。
在一个子进程终止前，wait使其调用者阻塞，而waitpid有一个选项，可使调用者不阻塞。
如果status不是一个空指针，则终止进程的终止状态就存放在它所指的单元内。如果不关心终止状态，则可将该参数设为空指针(waitpid同样适用)。

5>waitpid函数

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

返回值：
1. 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
2. 如果设置了选项WNOHANG（非阻塞式调用）,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；
3. 如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；
4. 当pid所指示的子进程不存在,或此进程存在,但不是调用进程的子进程,waitpid就会出错返回,这时errno被设置为ECHILD.

参数：
1. pid：
Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
Pid==0等待其组ID等于调用进程组ID的任一个⼦子进程。
Pid<-1等待其组ID等于pid绝对值的任一子进程。

2. status:
WIFEXITED(status) : 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）
WEXITSTATUS(status) : 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
3. options:
WNOHANG :若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。
若正常结束，则返回该子进程的ID。

WIFEXITED(status) : 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。
WEXITSTATUS(status) :如果进程不是正常退出的,也就是说, WIFEXITED返回0,这个值就毫无意义。

6>进程的阻塞式等待代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid < 0){printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);return 1;}else if( pid == 0 )//child{ printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());sleep(5);exit(257);}
else//father
{int status = 0;pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5Sprintf("this is test for wait\n");if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}
}
return 0;
}

进程的非阻塞等待方式代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid < 0){printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);return 1;}else if( pid == 0 ){ //childprintf("child is run, pid is : %d\n",getpid());sleep(5);exit(1);}else{int status = 0;pid_t ret = 0;do{ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//⾮非阻塞式等待if( ret == 0 ){printf("child is running\n");}sleep(1);}while(ret == 0);if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}
}
return 0;
}

五、进程的程序替换

1、用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。
2、有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

#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[]);//系统调用，上面5个是对它的封装

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。

记忆规律：
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,例如”/bin/ls”或”./a.out”,而不能是”ls”或”a.out”。
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。
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。
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是NULL,就像main函数的argv参数或者环境变量表一样。
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。
3、一个完整的例子

实例：模拟一个 Shell 外壳程序，并且让它支持输出重定向。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/fcntl.h>
#include<sys/wait.h>int main()
{while (1){printf("[test@192.168.110.142 test]$ ");fflush(stdout);char buf[1024];ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);if (s > 0){buf[s-1]= 0;}char *_myshell[32];_myshell[0] = buf;char* start = buf;int i = 1;while (*start){if (*start == ' '){*start = 0;start++;_myshell[i++] = start;}start++;}_myshell[i] = NULL;if (strcmp(_myshell[0], "exit") == 0){break;}if (strcmp(_myshell[i-2], ">") == 0){_myshell[i - 2] = NULL;pid_t id = fork();if (id < 0){perror("fork error!");}else if (id == 0)//child{close(1);open(_myshell[i-1], O_WRONLY|O_CREAT, 0666);execvp(_myshell[0], _myshell);}else{wait(0);}}else{pid_t id = vfork();if (id < 0){perror("vfork");}else if (0 == id){execvp(_myshell[0], _myshell);}else{wait(0);}}}return 0;
}

六、进程终止

1、进程终止的5种方式

正常退出
从main函数返回–语言级别的返回操作
调用exit–C库函数
调用_exit–系统调用
异常退出
调用abort 产生SIGABOUT信号
由信号终止 ctrl+c /SIGINT

2、exit函数
对于三个终止函数(exit、_exit和_Exit)，实现这一点的方法是，将其退出状态作为参数传送给函数。在异常终止情况下，内核产生一个指示其异常终止原因的终止状态。在任意一种情况下，该终止状态的父进程都能使用wait或waitpid函数取得其终止状态。
在调用_exit时，内核将进程的退出状态转换成终止状态。

exit和_exit的区别：
1）_exit是一个系统调用，exit是一个c库函数
2）exit会执行刷新I/O缓存
3）exit会执行调用终止处理程序