03 Linux编程-进程

1、进程的相关概念

1.1 程序与进程

        程序是静态的概念，进程是程序的一次运行活动。

1.2 查看系统中有哪些进程

ps #只显示一小部分进程
ps -aux #会打印当前所有进程
ps -aux|grep init    #使用grep筛选出只含有init的进程top    #运行显示的进程有点类似windows的任务管理器

1.3 进程标识符

        每个进程都有一个非负整数表示的唯一ID, 叫做PID，类似身份证 。PID=0：称为交换进程（swapper），作用是进程调度 ，PID=1：init进程，作用是系统初始化。

        在编程中可以调用getpid函数获取自身的进程标识符。使用getppid获取父进程的进程标识符。

1.4 父进程、子进程

        进程A创建了进程B，那么A叫做父进程，B叫做子进程，父子进程是相对的概念，可以理解为人类中的父子关系。

1.5 C程序存储空间的分配

        栈，自动变量以及每次函数调用时所需保存的信息都存放在此段中。
        堆，通常在堆中进行动态存储分配。

2、进程的创建

//使用fork函数创建一个进程
#include <uinstd.h>
//函数原型pid_t fork(void);
fork();
//fork函数调用成功，返回两次
//返回值为0，代表当前进程是子进程
//返回值非负数,代表当前进程为父进程
//调用失败，返回-1//在使用folk函数创建进程之后的程序，父、子进程都会执行

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid;pid_t pid2;pid = getpid();printf("before fork: pid = %d\n", pid);//创建一个子进程fork();pid2 = getpid();printf("after fork: pid = %d\n", pid2);if(pid == getpid()){printf("this is father process\n");}else{printf("this is child process, child pid is %d\n", getpid());}printf("my pid is %d, current pro id is:%d\n", pid, getpid());return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid;printf("father : id = %d\n", getpid());//创建一个子进程pid = fork();pid2 = getpid();printf("after fork: pid = %d\n", pid2);if(pid > 0){printf("this is father process, pid = %d\n", getpid());}else if(pid == 0){printf("this is child process, child pid is %d\n", getpid());}printf("my pid is %d, current pro id is:%d\n", pid, getpid());return 0;
}

        使用folk函数创建子进程，子进程会获得父进程数据空间、堆和栈的副本。由于在fork之后经常跟随着exec，所以现在的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，使用了写时复制(Copy-On-Write, COW)技术。这些区域由父、子进程共享，而且内核将它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,通常是虚拟存储器系统中的一“页”。

2.1 使用folk创建一个子进程的一般目的

        （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。这在网络服务进程中是常见的——父进程等待客户端的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求到达。

        （2）一个进程要执行一个不同的程序。这对shell是常见的情况。在这种情况下，子进程从fork返回后立即调用exec。

2.2 vfolk和folk函数

        vfolk直接使用父进程存储空间，不拷贝。

        vfork保证子进程先运行，当子进程调用exit退出后，父进程才执行。

3、进程退出

        进程的正常退出有以下几种：通过main函数调用return；进程调用标准c库的exit()函数进行退出； 进程通过调用_exit()或者_Exit()函数退出，属于系统调用；可以通过进程的最后一个线程返回；可以通过最后一个线程调用pthread_exit。

        进程的异常退出：调用abort；当进程收到某些信号时，如ctrl+C；最后一个线程对取消（cancellation）请求做出响应。

3.1 父进程等待子进程退出

3.1.1 为什么要等待子进程退出

        我们创建子进程的目的是为了让其完成某个任务，我们要知道这个子进程是否完成任务了。通过等待等待子进程退出，我们就可以知道这个子进程的任务完成状态，并且通过检查wait和waitpid所返回的终止状态的宏来收集子进程的退出状态，如果子进程的退出状态不被收集，那么这个进程就会编程僵尸进程。

//包含头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>//函数原型
//status参数: 是一个整型数指针//非空: 子进程退出状态放在它所指向的地址中。//空: 不关心退出状态pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
int waitid(idtype_t idtype,id_t id, siginfo_t *infop, int options);//如果其所有子进程都还在运行，则阻塞。
//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。
//如果它没有任何子进程，则立即出错返回。//区别：wait使调用者阻塞, waitpid有一个选项options，可以使调用者不阻塞，但是不阻塞时，该子进程仍然会变成僵尸进程

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid;int cnt = 0;pid = fork();if(pid > 0){wait(NULL);while(1){printf("cnt = %d\n", cnt);printf("this is father print, pid = %d\n", getpid());sleep(1);}}else if(pid == 0){while(1){printf("this is child print, pid = %d\n", getpid());sleep(1);cnt++;if(cnt == 3){exit(0);}}}return 0;
}

3.1.2 孤儿进程

        父进程如果不等待子进程退出，在子进程之前就结束了自己的“生命”,此时子进程叫做孤儿进程。Linux避免系统存在过多孤儿进程，init进程收留孤儿进程,变成孤儿进程的新的父进程。

4、exec族函数

4.1.1 exec族函数

        exec族函数的作用：当我们用fork函数创建新进程后，经常会在新进程中调用exec函数去执行另外一个程序。当进程调用exec函数时，该进程被完全替换为新程序。因为调用exec函数并不创建新进程，所以前后进程的ID并没有改变。

        功能：在调用进程内部执行一个可执行文件。可执行文件既可以是二进制文件，也可以是任何Linux下可执行的脚本文件。

        函数族：
　　exec函数族分别是：execl, execlp, execle, execv, execvp, execvpe

//包含头文件
#include <unistd.h>
extern char **environ;//函数原型
//返回值：//exec函数族的函数执行成功后不会返回，调用失败时，会设置errno并返回-1，然后从原程序的调用点接着往下执行。//可以通过perror("why");打印出错误原因
//参数说明：//path：可执行文件的路径名字//arg：可执行程序所带的参数，第一个参数为可执行文件名字，没有带路径且arg必须以NULL结束//file：如果参数file中包含/，则就将其视为路径名，否则就按 PATH环境变量，在它所指定的各目录中搜寻可执行文件。原文链接：https://blog.csdn.net/u014530704/article/details/73848573
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 execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);

        exec族函数非常难以记忆，函数名中的字符会给我们一些帮助：
                l : 使用参数列表
                p：使用文件名，并从PATH环境进行寻找可执行文件
                v：应先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组的地址作为这些函数的参数。
                e：多了envp[]数组，使用新的环境变量代替调用进程的环境变量

        带l的一类exac函数（l表示list），包括execl、execlp、execle，要求将新程序的每个命令行参数都说明为 一个单独的参数。这种参数表以空指针结尾。

//文件execl.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
//函数原型：int execl(const char *path, const char *arg, ...);int main(void)
{printf("before execl\n");if(execl("./bin/echoarg","echoarg","abc",NULL) == -1){printf("execl failed!\n");      }printf("after execl\n");return 0;
}

//文件echoarg.c
#include <stdio.h>int main(int argc,char *argv[])
{int i = 0;for(i = 0; i < argc; i++){printf("argv[%d]: %s\n",i,argv[i]); }return 0;
}

         带p的一类exac函数，包括execlp、execvp、execvpe，如果参数file中包含/，则就将其视为路径名，否则就按 PATH环境变量，在它所指定的各目录中搜寻可执行文件。举个例子，PATH=/bin:/usr/bin

//文件execlp.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
//函数原型：int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int main(void)
{printf("before execlp****\n");if(execlp("ps","ps","-l",NULL) == -1){printf("execlp failed!\n");}printf("after execlp*****\n");return 0;
}

        带v不带l的一类exac函数，包括execv、execvp、execve，应先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组的地址作为这些函数的参数。如char *arg[]这种形式，且arg最后一个元素必须是NULL，例如char *arg[] = {“ls”,”-l”,NULL}。

//文件execvp.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
//函数原型：int execvp(const char *file, char *const argv[]);int main(void)
{printf("before execlp****\n");char *argv[] = {"ps","-l",NULL};if(execvp("ps",argv) == -1) {printf("execvp failed!\n");     }printf("after execlp*****\n");return 0;
}

        带e的一类exac函数，包括execle、execvpe，可以传递一个指向环境字符串指针数组的指针。 参数例如char *env_init[] = {“AA=aa”,”BB=bb”,NULL}; 带e表示该函数取envp[]数组，而不使用当前环境。

//文件execle.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
//函数原型：int execle(const char *path, const char *arg,..., char * const envp[]);char *env_init[] = {"AA=aa","BB=bb",NULL};
int main(void)
{printf("before execle****\n");if(execle("./bin/echoenv","echoenv",NULL,env_init) == -1){printf("execle failed!\n");}       printf("after execle*****\n");return 0;
}

//文件echoenv.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
extern char** environ;
int main(int argc , char *argv[])
{int i;char **ptr;for(ptr = environ;*ptr != 0; ptr++)printf("%s\n",*ptr);return 0;
}

 4.1.2 exec配合fork使用

        实现功能：当父进程检测到输入为1时，创建子进程将配置文件的字段值修改掉。

//文件demo_changeData.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t pid;int data = 10;while(1){print("please input a data\n");scanf("%d", &data);if(data == 1){pid = fork();//pid=0,代表此时是子进程的一个程序段if(pid == 0){int fdSrc;char *readBuf = NULL;fdSrc = open("config.txt", O_RDWR);int size = lseek(fdSrc, 0, SEEK_END);lseek(fdSrc, 0, SEEK_SET);readBuf = (char *)malloc(sizeof(char) * size + 8);int n_read = read(fdSrc, readBuf, size);char *p =strstr(readBuf, "LENG=");if(p == NULL){printf("not fount");exit(-1);}p = p + strlen("LENG=");*p = '5';lseek(fdSrc, 0, SEEK_SET);int n_write = write(fdSrc, readBuf, strlen(readBuf));close(fdSrc);exit(0);}}}}else{printf("wait, do nothing\n");}return 0;
}

//文件demo_exec_fork.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t pid;int data = 10;while(1){print("please input a data\n");scanf("%d", &data);if(data == 1){pid = fork();//pid=0,代表此时是子进程的一个程序段if(pid == 0){//调用demo_changeData文件执行execl("./demo_changeData", "demo_changeData", "config.txt", NULL);}}}else{printf("wait, do nothing\n");}return 0;
}

5、system函数

        system函数就是系统封装好的exec和fork结合的函数。

#include <stdlib.h>//函数原型
//返回值：//如果 system()调用成功则最后会返回执行shell命令后的返回值;//在调用/bin/sh时失败则返回127;//其他失败原因返回-1;//若参数string为空指针(NULL)，则返回非零值。
//注意：在编写具有SUID/SGID权限的程序时请勿使用system()，system()会继承环境变量，通过环境变量可能会造成系统安全的问题。int system(const char *command);//源码
int system(const char * cmdstring)
{pid_t pid;int status;if(cmdstring == NULL){return (1);}if((pid = fork())<0){status = -1;}else if(pid == 0){execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *)0);-exit(127); //子进程正常执行则不会执行此语句}else{while(waitpid(pid, &status, 0) < 0){if(errno != EINTER){status = -1;break;}}}return status;
}

6、popen函数

#include <stdio.h>//函数原型
FILE *popen(const char *conmand,const char *type);
int pclose(FILE *stream);

        与system函数相比，popen在应用中的好处在于可以获得函数运行的输出结果。

        举例，使用popen获取ps指令的运行结果。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{char ret[1024] = {0};FILE *fp;fp = popen("ps", "r");int n_read = fread(ret, 1, 1024, fp);printf("read ret %d bytes, ret = %s\n", n_read, ret);return 0;
}