Linux系统编程学习笔记（五）进程管理1

进程管理(一）
和文件一样，进程是Unix系统最基本的抽象之一。
1、进程ID：
每一个进程都有一个唯一的标示，进程ID。虽然进程ID是唯一的，但进程终止后，id会被其他进程重用。
许多UNIX都提供了延迟重用的功能，以防止新进程被误认为是旧进程。
有一些特殊的进程：
id为0的进程--idle进程或者叫做swapper，通常是一个调度进程。
id为1的进程--内核booting之后执行的第一个进程。init进程一般执行的是init程序。
Linux通常尝试执行以下init程序：
1、/sbin/init: 偏向、最有可能是init程序的地方。
2、/etc/init: 另一个很有可能是init程序的地方。
3、/bin/init: 有可能是init进程的地方。
4、/bin/sh:如果内核找不到init进程，就执行该bourne shell。
init进程是一个用户级进程，但是需要执行者有超级用户权限。
2、获得进程ID和父进程的ID：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t getpid(void);
pit_t getppid(void);

pid_t是个抽象类型，在linux中pid_t一般是一个int类型，在<sys/types.h>定义。
但把pid_t当做int类型，不具有可移植性。
例子：

printf("My pid=%d\n",getpid());
printf("Parent's pid=%d\n",getppid());

我们可以把pid_t比较安全的当做int类型，虽然这违反了抽象类型的意图和可移植性。
2、创建一个进程fork：
一个已经存在的进程可以通过fork创建其他进程：

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

新创建的进程被称为子进程，这个函数被调用一次但是被返回两次。在子进程返回0，父进程返回子进程的t_pid。
之所以在父进程返回子进程的id，是由于父进程可以有多个子进程，并且没有提供获得所有子进程的方法。在子进程
中返回0，是因为子进程只有一个父进程，并且可以通过getppid获得。
fork被调用之后，父进程和子进程都开始执行fork之后的程序语句。子进程是父进程的一个拷贝，拷贝了父进程的数据
空间，堆，栈，它们共享text段。
当前fork的实现并不是拷贝父进程的数据、堆、栈，而是使用了copy-on-write技术，这是因为fork之后通常会调用exec。
如果它们修改了这些区域，那么内核就会把相应的那部分内存进行拷贝。
子进程和父进程有以下不同：
1）进程id不同
2) fork的返回值不同
2）子进程的父进程id设置为父进程的id，它们的父进程不同
3）子进程的资源统计归为0
4）任何pending的signals被清空，不会被子进程继承
5）任何获得的文件锁都不会被子进程继承。
相同的：
1）打开文件
2）real user ID，real group ID，effective user ID，effective group ID
3）进程的group ID
4）Session ID
5）控制终端
6）set-user-ID和set-group-ID
7）当前工作目录
8）Root目录
9）文件mode创建的掩码
10）信号掩码和dipositions
11）打开文件的close-on-exec flag
12）环境变量
13）附加进去的共享内存段
14）内存映像
15）资源限制
如果失败返回-1。
例子：

pid_t pid;

pid = fork();
if(pid > 0){
	printf("I am the parent of pid=%d\n",pid);
}else if(!pid){
	printf("I am the baby!\n");
}else if(pid == -1){
	perror("fork");
}

fork经常和exec在一起使用：

pid_t pid;

pid = fork();
if(pid == -1)
	perror("fork");

if(!pid){
	const char *args[] = {"windlass",NULL};
	int ret;

	ret = execv("/bin/windlass",args);

	if(ret == -1){
		perror("execv");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
}

使用fork的场景：
1）当一个进程想复制自己以便父子进程可以同时执行不同部分的代码。比如一个网络的服务器，
父进程等待从客户端发来的请求，当请求到来时，父进程调用fork，让新创建的子进程处理请求，
父进程继续等待客户端发来的请求。
2）当一个进程想执行不同的程序。比如shell，子进程在fork返回之后执行了exec。
3、vfork：
在copy-on-write技术使用之前，Unix的设计者认为fork之后执行exec浪费了地址空间的拷贝，BSD开发者
实现了vfork系统调用：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t vfork(void);

vfork和fork行为一样，除了子进程要立即调用exec函数或者执行exit退出。vfork系统调用避免了地址
空间和页表的拷贝，通过挂起父进程直到子进程终止或者执行一个二进制的进程映像。
vfork的例子：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int glob = 6;

int main(){
	int var;
	pid_t pid;
	var = 88;
	printf("before vfork\n");
	if((pid = vfork()) < 0){
		perror("vfork");
		return 1;
	}else if(pid == 0){
		glob++;
		var++;
		_exit(0);
	}

	printf("pid=%d",glob=%d,var=%d\n",getpid(),glob,var);
	exit(0);
}

输出:pid=2903,glob=7,var=89.在子进程里面增加变量会反映到父进程中，因为他们共享同一进程空间。
4、终止进程：
POSIX和C89都定义了终止当前进程的标准函数：

#include <stdlib.h>

void exit(int status);

调用exit会执行一些关闭操作步骤，然后指示内核终止进程。
status表示进程终止的状态。EXIT_SUCESS和EXIT_FAILURE被定义为一种可移植的方式来表示成功和失败。
在终止之前要做一些关闭的步骤：
1）调用任何注册在atexit（）和on_exit()的方法，和注册的顺序相反。
2）flush所有打开的I/O流
3）删除进程由tmpfile（）函数创建的临时文件。
执行完这些步骤之后，调用_exit()，让内核来处理剩余的终止操作：

#include <unistd.h>

void _exit(int status);

当进程终止后，内核清空了进程申请的所有资源。
程序可以直接调用_exit，但是很多程序需要执行一些清理操作，比如flush标准输出流。但是vfork用户必须
使用_exit终止，因为父子进程共享一个地址空间，exit执行一些I/O清理工作可能把父进程的文件描述流关闭，
导致父进程I/O失败。
5、atexit和on_exit：
1、atexit：
注册在进程终止之前回到的函数：

#include <stdlib.h>

int atexit(void (*function)(void));

如果进程通过exit或者从main返回终止，则会调用注册到atexit的方法。如果进程调用exec函数，注册函数则
被清空（因为这些函数不在新的进程空间存在）。如果信号终止了进程，则注册的函数不会被调用。
被注册的函数按照逆序执行，如果被注册的函数执行了exit，则会导致无穷递归，如果想提前终止需要使用
_exit。atexit支持至少ATEXT_MAX个注册函数，这个值可以通过sysconf得到。

long atexit_max;

atexit_max = sysconf(_SC_ATEXIT_MAX);
printf("atexit_max=%ld\n", atexit_max);

atexit例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void out(void){
	println("atexit() succeed!\n");
}

int main(){
	if(atexit(out))
		fprintf(stderr,"atexit() failed!\n");
	return 0;
}

2、on_exit：
on_exit和atexit等价，Linux glibc实现了它：

#include <stdlib.h>
int on_exit (void (*function)(int , void *), void *arg);

但是注册的签名函数不同，原型是：

void my_func(int status,void *args);

status是传到exit的或者从main返回的值。args是传到on_exit的第二个参数。Solaris已经不再支持on_exit，
所以最好使用atexit().
6、等待子进程终止：
当一个进程终止之后，内核向父进程发送一个SIGCHLD。默认这个信号被忽略，进程可以通过singnal（）或者
sigaction（）系统调用来处理这个信号。父进程希望得到子进程终止的更多信息，比如返回值，甚至显示的等
待这个事件的到来，这就是wait或者waitpid，它们可以做：
1）阻塞，如果子进程仍然在执行。
2）立即返回，包含子进程的终止状态，如果一个子进程终止，等待它的终止状态被获取。
3）返回错误，如果它没有子进程。

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *statloc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);

这两个函数的不同之处：
1）wait会阻塞调用者，直到一个子进程终止，而waitpid有一个设置不阻塞的选项。
2）waitpid不是等待第一个终止的子进程，他有一些选项来控制进程的等待。
如果一个进程终止，其父进程没有等待他终止，它就成为僵尸进程，僵尸进程的父进程会置为init，
进程，init周期性的调用wait来回收僵尸。
子进程的结束状态会保存在statloc指针中，如果不关心结束状态，可以直接传一个NULL。
POSIX指定了通过一系列宏来获得终止的状态。

#include <sys/wait.h>

int WIFEXITED(status);
int WIFSIGNALED(status);
int WIFSTOPPED(status);
int WIFCONTINUED(status);

int WEXITSTATUS(status);
int WTERMSIG(status);
int WSTOPSIG(status);
int WCOREDUMP(status);

WIFEXITED:如果子进程正常终止，返回true。可以通过WEXITSTATUS得到参数的低8位。
WIFSIGNALED:如果是信号导致子进程不正常终止，返回true。可以通过WTERMSIG返回信号的号。
一些UNIX实现定义了WCOREDUMP宏，如果进程dump core来响应信号。
WIFSTOPPED:如果进程被停止，返回true，通过WSTOPSIG来获得导致子进程停止的信号。
WIFCONTINUED：如果状态是由已经被continued子进程返回，返回true。
例子：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h> 

int main(void){
	int status;
	pid_t pid;
	
	if(! fork()){
		return 1;
	}

	pid = wait(&status);
	if(pid == -1)
		perror("wait");
	printf("pid=%d\n",pid);

	if(WIFEXITED(status))
		printf("Normal termination with exit status=%d\n",WEXITSTATUS(status));
	if(WIFSIGNALED(status))
		printf("Killed by signal=%d%s\n",WTERMSIG(status),WCOREDUMP(status));
	if(WIFSTOPPED(status))
		printf("Stopped by signal=%d\n",WSTOPSIG(status));
	if(WIFCONTINUED(status))
		printf("Continued\n");

	return 0;
}

waitpid比wait功能更加强大。
pid参数指定了要等待的进程id：
< -1：等待任意一个绝对值和进程group id相等的进程。
-1：等待任意一个子进程，和wait一样
0：等待和当前进程相同组的任一子进程。
> 0: 等待该进程id的子进程
option 可以通过OR连接下列选项：
WNOHANG：不阻塞，如果没有匹配的子进程也直接返回。
WUNTRACED：如果被设置，WIFSTOPPED也会被设置。允许更一般的作业控制。
WCONTINUED：如果被设置，WIFCONTINUED也被设置。和WUNTRACED一起，
对于实现一个shell很有用。
例子：

int status;
pid_t pid;
pid = waitpid (1742, &status, WNOHANG);
if (pid == -1)
	perror ("waitpid");
else {
	printf ("pid=%d\n", pid);
	if (WIFEXITED (status))
		printf ("Normal termination with exit status=%d\n",WEXITSTATUS (status));
	if (WIFSIGNALED (status))
		printf ("Killed by signal=%d%s\n",WTERMSIG (status),WCOREDUMP (status) ? " (dumped core)" : "");
}

7、exec函数：
当进程调用exec时，当前进程的镜像被由path标定的程序加载到内存中代替。下面是exec一族函数：

#include <unistd.h>

int execl(const char *path,const char *arg,...);
int execv(const char *path,char * const argv[]);
int execle(const char *path,const char *arg,...);
int execve(const char *path,char *const argv[], char * const envp[]);
int execlp(const char *path,const char *arg,...);
int execvp(const char *path, char *const argv);

区别：1）前四个参数path代表路径名，后两个代表文件名（不包含路径信息）。
如果文件名中包含反斜线，作为一个路径名
如果否则从PATH环境变量中找可执行的文件。
如果execlp或者execvp找到了可以执行的文件，但是不是机器可执行的，那么就假设这是一个shell脚本，
调用/bin/sh执行该shell脚本。
2）execl、execle、execlp使用的是参数列表，需要以NULL终止，而其他的几个带v的是一个数组参数，
参数数组也要以NULL终止。
3）execle、execve传递环境列表到新的程序中。
这里面只有execve是系统调用，其他都是函数。
例子：

int ret;

ret = execl("/bin/vi","vi",NULL);
if(ret == -1)
	perror("execl");

下面一个例子，要使用vi打开以及文件编辑：

int ret;

ret = execl("/bin/vi","vi","/home/fuliang/books.txt",NULL);
if(ret == -1)
	perror("execl");

成功调用execl之后，改变的不仅是地址空间和进程映像，而且还改变进程一下属性：
1）任何pending signals都被丢弃。
2）任何要捕获的信号都置成默认的行为。因为信号处理函数不在该进程的地址空间了。
3）任何的内存锁都被释放。
4）很多线程属性被设置为默认值。
5）任何和进程内存相关，包括内存映射文件，都被丢弃。
6）任何在用户空间存在的包括C语言库，比如atexit的行为被丢弃。
没有改变的进程属性：
进程pid，父进程id，优先级，进程所属的用户和组。
execvp例子：

const char *args[] = {"vi","/home/fuliang/books.txt",NULL};
int ret;

ret = execvp("vi",args);
if( ret == -1 )
	perror("execvp");

失败返回-1,并设置errno：
1）E2BIG：参数列表或者环境变量envp太长。
2）EACCESS：进程没有搜索path的权限，path不是一个普通文件，目标文件不可执行，文件系统被mounted为不可读。
3）EFAULT：所给的指针不合法。
4）EIO：底层的I/O发生错误。
5）EISDIR：path或者解释器是一个目录。
6）ELOOP：解析path的时候遇到太多的软链。
7）EMFILE:调用进程超过了打开文件的限制。
8）ENFILE：系统打开文件数目超过限制。
9）ENOENT：path不存在，或者以来的共享库不存在。
10）ENOEXEC：目标path是一个不合法的二进制文件或者是不同的机器架构。
11）ENOMEM：没有足够的内核内存来执行新的程序
12）ENOTDIR：path不是一个目录.
13)ETXTBSY:目标文件正被其他的进程写
8、Launching and Waiting for a New Process：
ANSI C和POSIX都定义了一个接口，他结合了创建一个进程并且等待它的结束：

#include <stdlib.h>

int system(const char *command);

system一般用于执行一个简单的工具或者shell脚本。
成功返回命令的执行状态，如果command是NULL，则返回非0整数。
在执行command命令式，SIGCHILD被阻塞，SIGINT和SIGQUIT被忽略。忽略SIGINT和SIGQUIT有几个含义，
尤其system在一个循环里被执行，这时你需要保证程序检查子进程的状态。

do{
	int ret;
	
	ret = system("ls -l");
	if(WIFSIGNALED(ret) && WTFERMSIG(ret) == SIGINT || WTERMSIG(ret) == SIGQUIT))
		break;
}while(1);

使用fork、waitpid简单实现system：

int my_system(const char *cmd){
	int status;
	pid_pid;

	pid = fork();
	if(pid == -1);
		return -1;
	else if(pid == 0){
		const char *argv[4];
		argv[0] = "sh";
		argv[1] = "-c";
		argv[2] = cmd;
		argv[3] = NULL;
		execv("/bin/sh",argv);
		exit(-1);
	}

	if( waitpid(pid, &status,0) == -1)
		return -1;
	else if(WIFEXITED(status))
		return WEXITSTATUS(status);


	return -1;
}

参考：
1、《Linux system programming》
2、《Unix system programming》
3、《Advanced Programming in the Unix Environment》