Linux学习与记录（2）-CFANZ编程社区

程序与进程

程序是存放在介质上的一个可执行文件。
进程是程序执行的过程，是动态变化的，是管理事务的基本单元。
在计算机中时间中断是多道程序设计的理论基础（时间片轮转法），分时复用CPU资源。

并行：同一时刻多条指令再多个处理上同时执行。
并发：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转执行。

MMU：内存管理单元。CPU管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，负责虚拟地址映射为五哦里地址。提供硬件机制的内存访问授权。

PCB：进程控制块。进程运行时，内核为进程的每一个进程分配一个PCB，维护进程相关的信息，是task_struct结构体。

vim /usr/src/linux-headers-5.4.0-100-generic/include/linux/sched.h

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内部成员很多，需要掌握：

进程id。系统中每个进程有唯一的id，在C语言中用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）。

三态：运行态，就绪态，阻塞态。
五态：新建态，终止态，运行态，就绪态，阻塞态。
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①TASK_RUNNING：进程正在被CPU执行。当一个进程刚被创建时会处于TASK_RUNNABLE，表示己经准备就绪，正等待被调度。
②TASK_INTERRUPTIBLE（可中断）：进程正在睡眠（也就是说它被阻塞）等待某些条件的达成。一旦这些条件达成，内核就会把进程状态设置为运行。处于此状态的进程也会因为接收到信号而提前被唤醒。
给一个TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程发送SIGKILL信号，这个进程将先被唤醒（进入TASK_RUNNABLE状态），然后再响应SIGKILL信号而退出（变为TASK_ZOMBIE状态），并不会从TASK_INTERRUPTIBLE状态直接退出。
③TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断）：处于等待中的进程，待资源满足时被唤醒，但不可以由其它进程通过信号或中断唤醒。由于不接受外来的任何信号，因此无法用kill杀掉这些处于该状态的进程。而TASK_UNINTERRUPTIBLE状态存在的意义就在于，内核的某些处理流程是不能被打断的。
ps命令基本上不可能捕捉到。
④TASK_ZOMBIE（僵死）：表示进程已经结束了，但是其父进程还没有调用wait()或waitpid()来释放进程描述符。为了父进程能够获知它的消息，子进程的进程描述符仍然被保留着。一旦父进程调用了wait()，进程描述符就会被释放。
⑤TASK_STOPPED（停止）：进程停止执行。当进程接收到SIGSTOP，SIGTSTP，SIGTTIN，SIGTTOU等信号的时候。此外，在调试期间接收到任何信号，都会使进程进入这种状态。当接收到SIGCONT信号，会重新回到TASK_RUNNABLE。

查看进程

ps aux
ps -ef

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查看当前终端所有进程，可以通过下面指令查看异常

ps -a

查看进程运行，实时刷新

top

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占用终端

sleep 3000

占用后台

sleep 3000 &

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kill语句
-9强制结束

kill -9 [PID]

killall 通过进程名字杀死进程
杀死所有名为sleep的进程

killall -9 sleep

进程号，范围0-32768，类型pid_t（无符号整型）
进程号（PID）
父进程号（PPID）
进程号组（PGID）

getpid函数

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//这个函数不会返回失败
pid_t getpid(void);
功能：
    获取本进程号（PID）
参数：
    无
返回值：
    本进程号

getppid

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

pid_t getppid(void);
功能：
    获取调用此函数的进程的父进程号（PPID）
参数：
    无
返回值：
    调用此函数的进程的父进程号（PPID）

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进程的创建
不断创建会形成进程树结构

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

pid_t fork(void);
功能：
    用于从一个已存在的进程中创建一个新进程，新进程称为子进程，原进程称为父进程。
参数：
    无
返回值：
    成功：子进程中返回 0，父进程中返回子进程 ID。pid_t，为整型。
    失败：返回-1。
    失败的两个主要原因是：
        1）当前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。

父子进程关系
使用fork()函数得到子进程，继承了进程的地址空间：进程上下文，进程堆栈，文件描述符，信号控制设定，进程优先级，进程组号。
子进程独有的：进程号，计时器。
在这里插入图片描述
程序计数器指向fork()之后的语句（PC指针）。
Linux 的 fork() 使用是通过 写时拷贝，读时共享 实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。

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，共享文件文件偏移指针。

fork() 函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是：子进程的返回值是 0，而父进程的返回值则是新子进程的进程 ID。在 fork() 之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的。这取决于内核所使用的调度算法。
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在进程中使用malloc时，分配一次，但需要释放两次。

判断内存泄漏的工具：

valgrind ./a.out

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退出进程

exit(0);

显示当前用户下所有进程：ps aux
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以比较完整的格式显示所有的进程：ps ajx

杀死进程:

kill -SIGKILL/(-9) 89899【进程标识号】

查看kill

kill -l(字母)

GDB调试进程
使用gdb调试的时候，gdb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。

set follow-fork-mode child 设置gdb在fork之后跟踪子进程。
set follow-fork-mode parent 设置跟踪父进程（默认）。

注意，一定要在fork函数调用之前设置才有效。

进程退出

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
功能：
    结束调用此函数的进程。
参数：
    status：返回给父进程的参数（低 8 位有效），至于这个参数是多少根据需要来填写。
返回值：
    无

exit() 和 _exit() 函数功能和用法是一样的，无非时所包含的头文件不一样，还有的区别就是：_exit()属于标准库函数，exit()属于系统调用函数。_exit()会刷新缓冲区域。注意：return也会刷新缓冲区域。_exit()等价于_Exit()。
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等待子进程退出函数
wait和waitpid
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。

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

pid_t wait(int *status);
功能：
    等待任意一个子进程结束，如果任意一个子进程结束了，此函数会回收该子进程的资源。
参数：
    status : 进程退出时的状态信息。
返回值：
    成功：已经结束子进程的进程号
    失败： -1

调用 wait() 函数的进程会挂起（阻塞），直到它的一个子进程退出或收到一个不能被忽视的信号时才被唤醒（相当于继续往下执行）。

若调用进程没有子进程，该函数立即返回；若它的子进程已经结束，该函数同样会立即返回，并且会回收那个早已结束进程的资源。

所以，wait()函数的主要功能为回收已经结束子进程的资源。
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宏函数可分为如下三组：

WIFEXITED(status)
为非0 → 进程正常结束
WEXITSTATUS(status)
如上宏为真，使用此宏 → 获取进程退出状态 (exit的参数)
WIFSIGNALED(status)
为非0 → 进程异常终止
WTERMSIG(status)
如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程终止的那个信号的编号。
WIFSTOPPED(status)
为非0 → 进程处于暂停状态
WSTOPSIG(status)
如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程暂停的那个信号的编号。
WIFCONTINUED(status)
为真 → 进程暂停后已经继续运行

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当子进程exit(10)之后，父进程ret=wait(&statue)，这时候会将10->statue进行赋值，并且返回ret，然后再通过宏函数来判断是否正常退出，并且可以输出10。

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kill默认是15号信号

-19 暂停， -18 恢复

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

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
功能：
    等待子进程终止，如果子进程终止了，此函数会回收子进程的资源。

参数：
    pid : 参数 pid 的值有以下几种类型：
      pid > 0  等待进程 ID 等于 pid 的子进程。
      pid = 0  等待同一个进程组中的任何子进程，如果子进程已经加入了别的进程组，waitpid 不会等待它。
      pid = -1 等待任一子进程，此时 waitpid 和 wait 作用一样。
      pid < -1 等待指定进程组中的任何子进程，这个进程组的 ID 等于 pid 的绝对值。

    status : 进程退出时的状态信息。和 wait() 用法一样。

    options : options 提供了一些额外的选项来控制 waitpid()。
            0：同 wait()，阻塞父进程，等待子进程退出。
            WNOHANG：没有任何已经结束的子进程，则立即返回。
            WUNTRACED：如果子进程暂停了则此函数马上返回，并且不予以理会子进程的结束状态。（由于涉及到一些跟踪调试方面的知识，加之极少用到）
                 
返回值：
    waitpid() 的返回值比 wait() 稍微复杂一些，一共有 3 种情况：
        1) 当正常返回的时候，waitpid() 返回收集到的已经回收子进程的进程号；
        2) 如果设置了选项 WNOHANG，而调用中 waitpid() 发现没有已退出的子进程可等待，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，如：当 pid 所对应的子进程不存在，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；

ret = waitpid(-1, &statue, 0);// 等价于wait
ret = waitpid(-1, &statue, WNOHANG);// 表示不阻塞

孤儿进程
父进程运行结束，但子进程还在运行（未运行结束）的子进程就称为孤儿进程（Orphan Process）。
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 ，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。

僵尸进程
进程终止，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。
这样就会导致一个问题，如果进程不调用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。

init 6 重启
init 0 关机

查看僵尸进程

ps aux | grep z

进程替换
而在 Linux 平台，我们可以通过 ./ 运行，让一个可执行程序成为一个进程。
exec 函数族，顾名思义，就是一簇函数，在 Linux 中，并不存在 exec() 函数，exec 指的是一组函数，一共有 6 个：

#include <unistd.h>
extern char **environ;

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[]);

int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

char *const argv[] //指针数组

其中只有 execve() 是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数。

exec 函数族的作用是根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。
只做替换！！！
进程调用一种 exec 函数时，该进程完全由新程序替换，而新程序则从其 main 函数开始执行。因为调用 exec 并不创建新进程，所以前后的进程 ID （当然还有父进程号、进程组号、当前工作目录……）并未改变。exec 只是用另一个新程序替换了当前进程的正文、数据、堆和栈段（进程替换）。
在这里插入图片描述

我们发现第二句printf没有输出，这是因为当发生进程替换时，把整个进程空间都进行替换，所以原来进程的所有操作都将失效。进程数据被全部替换之后，又会从新的main()主函数开始执行。除非替换进程执行失败。
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