linux系统编程专题(七) 系统调用之进程

介绍linux进程相关概念，以示例方式讲述进程的fork操作

一、进程相关概念

程序和进程

程序，是指编译好的二进制文件，在磁盘上，不占用系统资源(cpu、内存、打开的文件、 设备、锁…)

进程，是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源，在内存中执行。(程序运行起来，产生一个进程)

程序 → 剧本(纸) 进程 → 戏(舞台、演员、灯光、道具…) 同一个剧本可以在多个舞台同时上演。同样，同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)。如：同时开两个终端，各自都有一个 bash 但彼此 ID 不同。

并发

并发，在操作系统中，一个时间段中有多个进程都处于已启动运行到运行完毕之间的状态。但任一个时刻点上仍只有一个进程在运行。

例如，当下，我们使用计算机时可以边听音乐边聊天边上网。 若笼统的将他们均看做一个进程的话，为什么可以同时运行呢，因为并发。

分时复用 cpu

单道程序设计

所有进程一个一个排对执行。若 A 阻塞，B 只能等待，即使 CPU 处于空闲状态。而在人机交互时阻塞的出现是必然的。所有这种模型在系统资源利用上及其不合理，在计算机发展历史上存在不久，大部分便被淘汰了。

多道程序设计

在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。多道程序设计必须有硬件基础作为保证。

时钟中断即为多道程序设计模型的理论基础，并发时，任意进程在执行期间都不希望放弃 cpu。因此系统需要一种强制让进程让出 cpu 资源的手段。时钟中断有硬件基础作为保障，对进程而言不可抗拒。 操作系统中的中断处理函数，来负责调度程序执行。

在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用 CPU (分时复用 CPU 资源)，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。

1s = 1000ms, 1ms = 1000us, 1us = 1000ns 1000000000 实质上，并发是宏观并行，微观串行! -----推动了计算机蓬勃发展，将人类

引入了多媒体时代。

CPU 和 MMU

内存管理单元 MMU:Memory Management Unit英文缩写

中央处理器(CPU) 内存管理单元 MMU

进程控制块 PCB

我们知道，每个进程在内核中都有一个进程控制块(PCB)来维护进程相关的信息，Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体。

/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/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，我们重点掌握以下部分即可:

• 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)。

进程状态

进程基本的状态有 5 种。分别为初始态，就绪态，运行态，挂起态与终止态。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看。

环境变量

环境变量，是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数。通常具备以下特征:

1. 字符串(本质)
2. 有统一的格式:名=值[:值]
3. 值用来描述进程环境信息。

存储形式：与命令行参数类似。char *[]数组，数组名 environ，内部存储字符串，NULL 作为哨兵结尾。

使用形式：与命令行参数类似。

加载位置：与命令行参数类似。位于用户区，高于 stack 的起始位置。

引入环境变量表：须声明环境变量。extern char ** environ;

常见环境变量

按照惯例，环境变量字符串都是 name=value 这样的形式，大多数 name 由大写字母加下划线组成，一般把 name 的部分叫做环境变量，value 的部分则是环境变量的值。环境变量定义了进程的运行环境，一些比较重要的环境变量的含义如下：

PATH

可执行文件的搜索路径。ls 命令也是一个程序，执行它不需要提供完整的路径名/bin/ls， 然而通常我们执行当前目录下的程序 a.out 却需要提供完整的路径名./a.out，这是因为 PATH 环境变量的值里面包含了 ls 命令所在的目录/bin，却不包含 a.out 所在的目录。PATH 环境变量的值可以包含多个目录，用：号隔开。在 Shell 中用 echo 命令可以查看这个环境变量的值:

root@VM-4-5-ubuntu:~# echo $PATH
/usr/local/jdk-18.0.1.1/bin:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/bin
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SHELL

当前 Shell，它的值通常是/bin/bash。

root@VM-4-5-ubuntu:~# echo $SHELL
/bin/bash
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TERM

当前终端类型，在图形界面终端下它的值通常是 xterm，终端类型决定了一些程序的输出显示方式，比如图形界面终端可以显示汉字，而字符终端一般不行。

root@VM-4-5-ubuntu:~# echo $TERM
xterm-256color
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LANG

语言和 locale，决定了字符编码以及时间、货币等信息的显示格式。

root@VM-4-5-ubuntu:~# echo $LANG
en_US.utf8
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HOME

当前用户主目录的路径，很多程序需要在主目录下保存配置文件，使得每个用户在运行该程序时都有自己的一套配置。

getenv 函数

获取环境变量值

char *getenv(const char *name);

成功：返回环境变量的值；失败：NULL (name 不存在)

setenv 函数

设置环境变量的值

int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);

成功：0；失败：-1

参数overwrite取值：

1：覆盖原环境变量

0：不覆盖。(该参数常用于设置新环境变量，如:ABC = haha-day-night)

unsetenv 函数

删除环境变量 name 的定义

intunsetenv(constchar*name);

成功：0；失败：-1
注意事项：name 不存在仍返回 0(成功)，当 name 命名为"ABC="时则会出错。

二、进程控制

2.1、fork

1、用法

创建一个子进程。pid_t fork(void);

失败返回：-1；

成功返回：；

• 父进程返回子进程的 ID(非负)
• 子进程返回 0

pid_t 类型表示进程 ID，但为了表示-1，它是有符号整型。(0 不是有效进程 ID，init 最小，为 1)

注意返回值，不是 fork 函数能返回两个值，而是 fork 后，fork 函数变为两个，父子需【各自】返回一个。

也可以man page查询fork用法

man 2 fork
1

RETURN VALUE说明：

成功，会在父进程返回子进程的PID，同时在子进程返回0. 失败，会在父进程返回-1，同时子进程创建失败，并且设置errno

2、用法示例

fork.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("before fork-1-\n");     // 在fork之前打印,父进程执行,只执行一次
    printf("before fork-2-\n");
    printf("before fork-3-\n");
    printf("before fork-4-\n");

    pid_t pid = fork();             // 创建子进程
    if (pid == -1) {
        perror("fork error");
        exit(1);

    } else if (pid == 0) {          // 子进程
        
        printf("---child is created\n");

    } else if (pid > 0) {           // 父进程

        printf("---parent process: my child is %d\n", pid);
    }
    
    printf("===================end of file\n");  // 父子进程各自执行一次.

    return 0;
}
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运行结果

fork后的子进程与父进程会走同一段剩余代码，那么如何判断子进程与父进程？

pid为0是子进程，pid大于0是父进程

before fork-1-
before fork-2-
before fork-3-
before fork-4-
---parent process: my child is 1504886
===================end of file
---child is created
===================end of file
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3、循环创建 n 个子进程

一次 fork 函数调用可以创建一个子进程。那么创建 N 个子进程应该怎样实现呢?

简单想，for(i = 0; i < n; i++) { fork() } 即可。但这样创建的是 N 个子进程吗?

循环创建 N 个子进程

从上图我们可以很清晰的看到，当 n 为 3 时候，循环创建了(2^n)-1 个子进程，而不是 N 的子进程。需要在循环的过程，保证子进程不再执行 fork ，因此当(fork() == 0)时，子进程应该立即 break;才正确。

loop_fork.c 通过命令行参数指定创建进程的个数，每个进程休眠 1S 打印自己是第几个被创 建的进程。如:第 1 个子进程休眠 0 秒打印:“我是第 1 个子进程”;第 2 个进程休眠 1 秒打 印:“我是第 2 个子进程”;第 3 个进程休眠 2 秒打印:“我是第 3 个子进程”。

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    pid_t pid;

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        if (fork() == 0)        // 循环期间, 子进程不 fork
            break;
    }
    if (5 == i) {       // 父进程, 从 表达式 2 跳出
        sleep(5);
        printf("I'm parent \n");
    } else {            // 子进程, 从 break 跳出
        sleep(i);
        printf("I'm %dth child\n", i+1);
    }

    return 0;
}
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这里判断如果是子进程fork() == 0，则不fork

运行结果

I'm 1th child
I'm 2th child
I'm 3th child
I'm 4th child
I'm 5th child
I'm parent 
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2.2、getpid && getppid（获取进程id）

1、getpid

获取当前进程 ID

pid_t getpid(void);

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    pid_t pid = getpid();
    printf("getpid:%d\n", pid);
    return 0;
}
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getpid:65447

2、getppid

获取当前进程的父进程 ID

pid_t getppid(void);

区分一个函数是“系统函数”还是“库函数”依据:

• 是否访问内核数据结构
• 是否访问外部硬件资源

二者有任一 > 系统函数;

二者均无 > 库函数

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    pid_t pid = getppid();
    printf("getppid:%d\n", pid);
    return 0;
}
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打印

getppid:63935

2.3、getuid && getgid（获取进程用户id）

1、getuid

获取当前进程实际用户 ID

uid_t getuid(void);

获取当前进程有效用户 ID

uid_t geteuid(void);

实际用户ID与有效用户ID区别：

大多数情况下等同，但是当设置-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

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    uid_t uid = getuid();
    printf("uid_t:%d\n", uid);
    return 0;
}
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uid_t:501

2、getgid

获取当前进程使用用户组 ID

gid_t getgid(void);

获取当前进程有效用户组 ID

gid_t getegid(void);

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    gid_t gid = getgid();
    printf("getgid:%d\n", gid);
    return 0;
}
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getgid:20