Linux 多进程开发（上）

网络编程系列文章：

第1章 Linux系统编程入门（上）
第1章 Linux系统编程入门（下）

第2章 Linux多进程开发（上）
第2章 Linux多进程开发（下）

第3章 Linux多线程开发

第4章 Linux网络编程

• 4.1 网络基础
• 4.2 socket 通信基础
• 4.3 TCP套接字通信
• 4.4 IO多路复用
• 4.5 UDP 通信

第5章 Web服务器

2.1 进程概述

（1）程序和进程

程序是包含一系列信息的文件，这些信息描述了如何在运行时创建一个进程：

• 二进制格式标识：每个程序文件都包含用于描述可执行文件格式的元信息。内核利用此信息来解释文件中的其他信息。（ ELF 可执行连接格式 ）

• 机器语言指令：对程序算法进行编码。

• 程序入口地址：标识程序开始执行时的起始指令位置。

• 数据：程序文件包含的变量初始值和程序使用的字面量值（比如字符串）。

• 符号表及重定位表：描述程序中函数和变量的位置及名称。这些表格有多重用途，其中包括调试和运行时的符号解析（动态链接）。

• 共享库和动态链接信息：程序文件所包含的一些字段，列出了程序运行时需要使用的共享库，以及加载共享库的动态连接器的路径名。

• 其他信息：程序文件还包含许多其他信息，用以描述如何创建进程。

• 进程是正在运行的程序的实例。是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。

• 可以用一个程序来创建多个进程，进程是由内核定义的抽象实体，并为该实体分配用 以执行程序的各项系统资源。从内核的角度看，进程由用户内存空间和一系列内核数 据结构组成，其中用户内存空间包含了程序代码及代码所使用的变量，而内核数据结构则用于维护进程状态信息。记录在内核数据结构中的信息包括许多与进程相关的标识号（ IDs ）、虚拟内存表、打开文件的描述符表、信号传递及处理的有关信息、进程资源使用及限制、当前工作目录和大量的其他信息。

（2）单道、多道程序设计

• 单道程序，即在计算机内存中只允许一个的程序运行。
• 多道程序设计技术 是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使它们在管理程序控制下，相互穿插运行，两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态 , 这些程序共享计算机系统资源。引入多道程序设计技术的根本目的是为了提高 CPU 的利用率。
• 对于一个单 CPU 系统来说，程序同时处于运行状态只是一种宏观上的概念，他们虽然都已经开始运行，但就微观而言，任意时刻， CPU 上运行的程序只有一个。
• 在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用 CPU 。而当下常见 CPU 为 纳秒级， 1 秒可以执行大约 10 亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级，所以看似同时在运行。

（3）时间片

• 时间片（ timeslice ）又称为“量子 ( quantum ）” 或 “处理器片 ( processor slice )是操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段 CPU 时间。事实上，虽然一台计算机通常可能有多个 CPU ，但是同一个 CPU 永远不可能真正地同时运行多个任务。在只考虑一个 CPU 的情况下，这些进程“看起来像”同时运行的，实则是 轮番穿插地运行，由于时间片通常很短（在 Linux 上为 5ms-800ms ），用户不会感觉到。
• 时间片由操作系统内核的调度程序分配给每个进程。首先，内核会给每个进程分配相等的初始时间片，然后每个进程轮番地执行相应的时间，当所有进程都处于时间片耗尽的状态时，内核会重新为每个进程计算并分配时间片，如此往复。

（4）并行和并发

• 并行 ( parallel )：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。
• 并发 ( concurrency )：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。

（5）进程控制块（PCB)

• 为了管理进程，内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述。内核为每个进程分配一个 PCB(Processing Control Block) 进程控制块，维护进程相关的信息，Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体。

• 在 /usr/src/linux-headers-xxx/include/linux/sched.h 文件中可以查看 struct task_struct 结构体定义。其内部成员有很多，我们只需要掌握以下部分即可：

  • 进程 id ：系统中每个进程有唯一的 id ，用 pid_t 类型表示，其实就是一个非负整数

  • 进程的状态：有就绪、运行、挂起、停止等状态

  • 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

  • 描述 控制终端 的信息

  • 当前工作目录（ Current Working Directory )

  • umask 掩码

  • 文件描述符表，包含很多指向 file 结构体的指针

  • 和信号相关的信息

  • 用户 id 和 组 id

  • 会话（ Session ）和进程组

  • 进程可以使用的资源上限（ Resource Limit )

    

2.2 进程状态转换

（1）进程的状态

​ 进程状态反映进程执行过程的变化。这些状态随着进程的执行和外界条件的变化而转换。在三态模型中，进程状态分为三个基本状态，即就绪态，运行态，阻塞态。在五态模型中，进程分为新建态、就绪态，运行态，阻塞态，终止态。

• 运行态：进程占有处理器正在运行
• 就绪态：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行。当进程已分配到除 CPU 以外的所有必要资源后，只要再获得 CPU ，便可立即执行。在一个系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将它们排成一个队列，称为就绪队列
• 阻塞态：又称为等待 ( wite ) 态或睡眠 ( sleep) 态，指进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成

• 新建态：进程刚被创建时的状态，尚未进入就绪队列
• 终止态：进程完成任务到达正常结束点，或出现无法克服的错误而异常终止，或被操作系统及有终止权的进程所终止时所处的状态。进入终止态的进程以后不再执行，但依然保留在操作系统中等待善后。一旦其他进程完成了对终止态进程的信息抽取之后，操作系统将删除该进程。

（2）进程相关命令

• 查看进程
  ps aux / ajx

  • a：显示终端上的所有进程，包括其他用户的进程
  • u：显示进程的详细信息
  • x：显示没有控制终端的进程
  • j：列出与作业控制相关的信息
    

• STAT(状态) 参数意义：

  • D 不可中断 Uninterruptible ( usually IO )
  • R 正在运行，或在队列中的进程
  • S(大写) 处于休眠状态
  • T 停止或被追踪
  • Z 僵尸进程
  • W 进入内存交换（从内核 2.6 开始无效）
  • X 死掉的进程
  • < 高优先级
  • N 低优先级
  • s 包含子进程
  • + 位于前台的进程组

• 实时显示进程动态
  top

  可以在使用 top 命令时加上 -d 来指定显示信息更新的时间间隔，在 top 命令执行后，可以按以下按键对显示的结果进行排序：

  • M 根据内存使用量排序

  • P 根据 CPU 占有率排序

  • T 根据进程运行时间长短排序

  • U 根据用户名来筛选进程

  • K 输入指定的 PID 杀死进程

  • 杀死进程
    kill [signal] pid

    kill -l 列出所有信号
    kill -SIGKILL 进程 ID
    kill -9 进程 ID
    killall name 根据进程名杀死进程

(3) 进程号和相关函数

• 每个进程都由进程号来标识，其类型为 pid_t （非负整型），进程号的范围 0~32767 。进程号总是唯一的，但可以重用。当一个进程终止后，其进程号就可以再次使用。
• 任何进程（除 init 进程）都是由另一个进程创建，该进程称为被创建进程的父进程，对应的进程号称为父进程号（ PPID ）。
• 进程组是一个或多个进程的集合。他们之间相互关联，进程组可以接收同一终端的各种信号，关联的进程有一个进程组号（ PGID ）。默认情况下，当前的进程号会当做当前的进程组号。
  • 进程号和进程组相关函数：
    pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);
pid_t getpgid(pid_t pid);

2.3 进程创建

（1）进程创建

系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。

返回值：

• 成功：子进程中返回 0 ，父进程中返回子进程 ID
• 失败：返回 -1

失败的两个主要原因：

1. 当前系统的进程数已经达到了系统规定的上限，这时 errno 的值被设置为 EAGAIN
2. 系统内存不足，这时 errno 的值被设置为 ENOMEM

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
/*
pid_t fork(void);
函数的作用：用于创建子进程。返回值：fork()的返回值会返回两次。一次是在父进程中，一次是在子进程中。在父进程中返回创建的子进程的ID,在子进程中返回0如何区分父进程和子进程：通过fork的返回值。在父进程中返回-1，表示创建子进程失败，并且设置errno
*/int main() {int num = 10;// 创建子进程pid_t pid = fork();// 判断是父进程还是子进程if(pid > 0) {printf("pid : %d\n", pid);// 如果大于0，返回的是创建的子进程的进程号，当前是父进程printf("i am parent process, pid : %d, ppid : %d\n", getpid(), getppid());printf("parent num : %d\n", num);num += 10;printf("parent num += 10 : %d\n", num);} else if(pid == 0) {// 当前是子进程printf("i am child process, pid : %d, ppid : %d\n", getpid(),getppid());printf("child num : %d\n", num);num += 100;printf("child num += 100 : %d\n", num);}// for循环for(int i = 0; i < 3; i++) {printf("i : %d , pid : %d\n", i , getpid());sleep(1);}return 0;
}

（2）父子进程虚拟地址空间

父子进程之间的关系：
区别：

1. fork() 函数的返回值不同
   父进程中: >0 返的子进程的ID
   子进程中: =0
2. pcb中的一些数据
   当前的进程的id： pid
   当前的进程的父进程的id：ppid
   信号集

共同点：
某些状态下：子进程刚被创建出来，还没有执行任何的写数据的操作

• 用户区的数据相同
• 文件描述符表相同

父子进程对变量是不是共享的？

• 刚开始的时候，是一样的，共享的。如果修改了数据，不共享了。
• 读时共享（子进程被创建，两个进程没有做任何的写的操作），写时拷贝。

• 栈空间中的变量相同，但会不干扰。

实际上，更准确来说，Linux 的 fork() 使用是通过写时拷贝 (copy- on-write) 实现。

• 写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。

• 内核此时并不复制整个进程的地址空间，而是让父子进程共享同一个地址空间。

• 只用在需要写入的时候才会复制地址空间，从而使各个进行拥有各自的地址空间。
  也就是说，资源的复制是在需要写入的时候才会进行，在此之前，只有以只读方式共享。

• 注意：fork之后父子进程共享文件，
  fork产生的子进程与父进程相同的文件文件描述符指向相同的文件表，引用计数增加，共享文件偏移指针。

（3）GDB 多进程调试

• 使用 GDB 调试的时候， GDB 默认只能跟踪一个进程，可以在 fork 函数调用之前，通过指令设置 GDB 调试工具跟踪父进程或者是跟踪子进程，默认跟踪父进程。
• 设置调试父进程或者子进程：set follow-fork-mode [parent (默认) | child]
• 设置调试模式：set detach-on-fork [on (默认) | off]
  • 默认为 on ，表示调试当前进程的时候，其它的进程继续运行，如果为 off ，调试当前进程的时候，其它进程被 GDB 挂起。
• 查看调试的进程：info inferiors
• 切换当前调试的进程：inferior id
• 使进程脱离 GDB 调试： detach inferiors id

2.4 exec 函数族

（1）exec 函数族介绍

• 函数族：功能相同或相似；类似C++ 中的函数重载。

• exec 函数族 的作用是根据指定的文件名 找到可执行文件，并用它来 取代 调用进程的内容（一般都是先 fork 出一个子进程，取代子进程 ），换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。

• exec 函数族的函数执行成功后不会返回，因为调用进程的实体，包括 代码段，数据段 和 堆栈 等都已经被新的内容取代，只留下进程 ID 等一些表面上的信息仍保持原样，颇有些神似 “三十六计” 中的 “金蝉脱壳” 。看上去还是旧的躯壳，却已经注入了新的灵魂。只有调用失败了，它们才会返回 -1 ，从原程序的调用点接着往下执行。

（2）exec 函数族

// 标准c库中的函数
int execl(const char *path, const char *arg, .../* (char *) NULL */);
int execlp(const char *file, const char *arg, ... /* (char *) NULL */);
int execle(const char *path, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char *
const envp[] */);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);// Linux 中的函数
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

• l (list) 参数地址列表，以空指针结尾
• v (vector) 存有各参数地址的指针数组的地址
• p (path) 按 PATH 环境变量指定的目录搜索可执行文件
• e (environment) 存有环境变量字符串地址的指针数组的地址

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

• 参数：

  • path: 需要指定的执行的文件的路径或者名称
    • a.out, /home/nowcoder/a.out 推荐使用绝对路径
  • arg: 是执行可执行文件所需要的参数列表 (./a.out hello world )
    • 第一个参数一般没有什么作用，为了方便，一般写的是执行的程序的名称
    • 从第二个参数开始往后，就是程序执行所需要的的参数列表。
    • 参数最后需要以 NULL 结束（哨兵）

• 返回值：

  • 只有当调用失败，才会有返回值，返回 -1，并且设置 errno
  • 如果调用成功，没有返回值。

  例如：首先创建一个 hello.c

  #include <stdio.h>int main() {    printf("hello, world\n");return 0;
  }
  

  #include <unistd.h>
  #include <stdio.h>int main() {// 创建一个子进程，在子进程中执行exec函数族中的函数pid_t pid = fork();if(pid > 0) {// 父进程printf("i am parent process, pid : %d\n",getpid());sleep(1);}else if(pid == 0) {// 子进程execl("hello","hello",NULL);// execl("/bin/ps", "ps", "aux", NULL);perror("execl");printf("i am child process, pid : %d\n", getpid());}for(int i = 0; i < 3; i++) {printf("i = %d, pid = %d\n", i, getpid());}return 0;
  }
  

  

int execlp (const char *file, const char *arg, ...);

• 会到 环境变量 中查找指定的可执行文件，如果找到了就执行，找不到就执行不成功。

• 参数：

  • file: 需要执行的可执行文件的文件名
    • a.out, ps
  • arg: 是执行可执行文件所需要的参数列表 (./a.out hello world )
    • 第一个参数一般没有什么作用，为了方便，一般写的是执行的程序的名称
    • 从第二个参数开始往后，就是程序执行所需要的的参数列表。
    • 参数最后需要以 NULL 结束（哨兵）

• 返回值：

  • 只有当调用失败，才会有返回值，返回 -1，并且设置 errno
  • 如果调用成功，没有返回值。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {// 创建一个子进程，在子进程中执行exec函数族中的函数pid_t pid = fork();if(pid > 0) {// 父进程printf("i am parent process, pid : %d\n",getpid());sleep(1);}else if(pid == 0) {// 子进程execlp("ps", "ps", "aux", NULL);printf("i am child process, pid : %d\n", getpid());}for(int i = 0; i < 3; i++) {printf("i = %d, pid = %d\n", i, getpid());}return 0;
}

其他的类似：

/*
int execv(const char *path, char *const argv[]);argv是需要的参数的一个字符串数组char * argv[] = {"ps", "aux", NULL};execv("/bin/ps", argv);int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);char * envp[] = {"/home/nowcoder", "/home/bbb", "/home/aaa"};*/

2.5 进程控制

（1）进程退出

#include <stdlib.h>  // 标准c库，常用
void exit(int status);#include <unistd.h>  // Linux 系统函数
void _exit(int status);

（2）孤儿进程

• 父进程运行结束，但子进程还在运行（未运行结束），这样的子进程就称为 孤儿进程 ( Orphan Process ）（没爹了）。
• 每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤儿进程的 父进程 设置为 init (ppid = 1)，而 init 进程会循环地 wait() 它的已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候， init 进程就会代表 党和政府 出面处理它的一切善后工作。
• 因此孤儿进程并 不会有什么危害。

（3）僵尸进程

• 每个进程结束之后 , 都会释放自己地址空间中的 用户区数据，内核区 的 PCB 没有办法自己释放掉，需要父进程去释放。
• 进程终止时，父进程尚未回收，子进程残留资源（ PCB ）存放于内核中，变成僵尸 ( Zombie ）进程。（爹还在）
• 僵尸进程不能被 kill -9 杀死，
• 这样就会导致一个问题，如果父进程不调用 wait() 或 waitpid() 的话，那么保留的那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵尸进程，将因为没有可用的进程号而导致系统 不能产生新的进程，此即为僵尸进程的危害，应当避免。

（4）进程回收

• 在每个进程退出的时候，内核释放该进程所有的资源、包括打开的文件、占用的内存 (都是用户区数据) 等。但是仍然为其保留一定的信息，这些信息主要主要指进程控制块 PCB（内核区） 的信息（包括进程号、退出状态、运行时间等）。

• 父进程可以通过调用 wait 或 waitpid 得到它的 退出状态（int 类型地址，传出参数） 同时 彻底清除掉这个进程。

  

• wait() 和 waitpid() 函数的功能一样，区别在于， wait() 函数会 阻塞，waitpid() 可以设置 不阻塞， waitpid() 还可以指定等待哪个子进程结束。

• 注意：一次 wait 或 waitpid 调用 只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环。

调用 wait 函数的进程会被挂起（阻塞），直到它的 一个子进程退出 或者 收到一个不能被忽略的信号 时才被唤醒（相当于继续往下执行）

• 成功：返回被回收的 子进程的id
• 失败：-1 (所有的子进程都结束，调用函数失败)

如果没有子进程了，函数立刻返回，返回 -1；如果子进程都已经结束了，也会立即返回，返回 -1.

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main() {// 有一个父进程，创建5个子进程（兄弟）pid_t pid;// 创建5个子进程for(int i = 0; i < 5; i++) {pid = fork();if(pid == 0) { // 如果是子进程，则退出循环，不在产生孙子进程break;}}if(pid > 0) {// 父进程while(1) {printf("parent, pid = %d\n", getpid());// int ret = wait(NULL);int st;int ret = wait(&st); //阻塞if(ret == -1) {break;}if(WIFEXITED(st)) { // w if exited// 是不是正常退出printf("退出的状态码：%d\n", WEXITSTATUS(st));}if(WIFSIGNALED(st)) {// 是不是异常终止printf("被哪个信号干掉了：%d\n", WTERMSIG(st));}printf("child die, pid = %d\n", ret);sleep(1);}} else if (pid == 0){// 子进程while(1) {printf("child, pid = %d\n",getpid());    sleep(1);       }exit(0); // 设置：退出的状态码为 0}return 0; // exit(0)
}

• pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

  • 功能：回收 指定进程号 的 子进程，可以设置是否阻塞。

  • 参数：

    • pid:
      pid > 0 : 某个子进程的 pid
pid = 0 : 回收 当前进程组的所有子进程
      pid = -1 : 回收 所有的子进程，相当于 wait() （最常用）(有的子进程可能不在一个组，也要回收)
      pid < -1 : 某个进程组的 组id 的绝对值，回收 指定进程组 中的 子进程

    • options：设置阻塞或者非阻塞
      0 : 阻塞
      WNOHANG : 非阻塞

    • 返回值 *wstatus：

      > 0 : 返回子进程的 id
= 0 : options=WNOHANG, 表示还有子进程活着
      = -1 ：错误，或者没有子进程了

    

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>int main() {// 有一个父进程，创建5个子进程（兄弟）pid_t pid;// 创建5个子进程for(int i = 0; i < 5; i++) {pid = fork();if(pid == 0) {break;}}if(pid > 0) {// 父进程while(1) {printf("parent, pid = %d\n", getpid());sleep(1);int st;// int ret = waitpid(-1, &st, 0); // 阻塞，和wait相同int ret = waitpid(-1, &st, WNOHANG);//非阻塞if(ret == -1) {break;} else if(ret == 0) {// 说明还有子进程存在continue;} else if(ret > 0) {if(WIFEXITED(st)) {// 是不是正常退出printf("退出的状态码：%d\n", WEXITSTATUS(st));}if(WIFSIGNALED(st)) {// 是不是异常终止printf("被哪个信号干掉了：%d\n", WTERMSIG(st));}printf("child die, pid = %d\n", ret);}}} else if (pid == 0){// 子进程while(1) {printf("child, pid = %d\n",getpid());    sleep(1);       }exit(0);}return 0; 
    }
    

（4）退出信息相关宏函数

• WIFEXITED(status) 非 0 ，进程正常退出

• WEXITSTATUS(status) 如果上宏为真，获取进程退出的状态（ exit 的参数）

• WIFSIGNALED(status) 非 0 ，进程异常终止

• WTERMSIG(status) 如果上宏为真，获取使进程终止的信号编号

• WIFSTOPPED(status) 非 0 ，进程处于暂停状态

• WSTOPSIG(status) 如果上宏为真，获取使进程暂停的信号的编号

• WIFCONTINUED(status) 非 0 ，进程暂停后已经继续运行

注：仅供学习参考，如有不足，欢迎指正！