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Linux应用层开发--进程处理

news 2025/8/16 11:24:04 
ps -ef    可以看父进程和子进程

1、 进程处理相关系统调用

system 函数底层调用

system() 函数会间接调用以下几个系统调用来执行命令：

  • fork()：创建子进程

  • execve()：在子进程中执行命令

  • waitpid()：等待子进程结束

main 函数声明（C 标准）

1️ 无参数形式

int main(void);
int main();

  • 两者等价，表示 main 不接受命令行参数。

  • 推荐使用 int main(void)（尤其从 C99 开始），避免歧义。

有参数形式

int main(int argc, char *argv[]);

  • argc：参数数量（包含程序名本身）

  • argv：字符串数组，保存所有命令行参数

    • argv[0]：程序名称

    • argv[1] ~ argv[argc-1]：用户输入的命令行参数

🔧 2、 fork 函数详解

相关头文件

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

类型说明：pid_t

  • pid_t 是 int 的别名

  • 定义过程：

    typedef int __pid_t;
typedef __pid_t pid_t;

fork()

pid_t fork(void);

  • 功能：复制当前进程，创建一个子进程

  • 返回值说明：

    • 父进程中：返回子进程的 PID

    • 子进程中：返回 0

    • 创建失败：返回 -1

getpid()

pid_t getpid(void);

  • 功能：返回当前进程的 PID

  • 不会失败，一定有返回值

getppid()

pid_t getppid(void);

  • 功能：返回当前进程的父进程 PID

  • 不会失败

小结

  • fork() 是进程创建的基础，父子进程共享代码段但拥有独立的数据段。

  • getpid() 和 getppid() 是用于确认进程身份的工具函数。

  • 每次 fork() 之后，父子进程会并发执行接下来的代码，可以根据 fork() 的返回值判断当前是哪个进程。

二、 文件描述符的引用计数和 close()

基础理解

在 Linux 中，文件描述符（FD） 本质上是一个引用，指向内核中的 struct file 数据结构。当一个进程执行 fork()，子进程会复制父进程的所有文件描述符，也就是复制引用，但不是复制文件本身。

每个 struct file 结构体中有一个字段 f_count，表示有多少文件描述符在使用它（也就是引用计数）。

sleep 函数介绍


#include <unistd.h>  unsigned int sleep(unsigned int seconds);

  • 使进程休眠指定秒数

  • 若过程中收到信号，可能提前醒来

  • 返回值：

    • 正常结束：返回 0

    • 被打断：返回剩余秒数

原理解析

为什么子进程 close(fd) 后父进程还能 write()？

  • fork() 后父子进程共享相同的 struct file 结构体

  • fd 是文件描述符，它在进程内部是一个整型值

  • 每个 fd 对应一个 struct file（底层实际对象）

struct file 中的 f_count 是引用计数：

  • 初始打开：引用计数 = 1

  • fork() 后：引用计数 = 2（因为父子进程都有一个 fd）

  • 子进程 close(fd)：引用计数减为 1，struct file 还在

  • 父进程继续使用 write() 没问题

只有当最后一个引用释放，引用计数为 0，struct file 才会被销毁。

小结

操作行为
open()返回 fd，并创建 struct file，引用计数 = 1
fork()子进程复制 fd，引用计数 = 2
close(fd)减少引用计数，不一定销毁 struct file
write(fd)只要引用计数 > 0，文件可继续使用

🔐 避免重复关闭同一个 fd：每个进程只需关闭自己持有的文件描述符，不要重复关闭。

三、 execve 与进程替换

1）execve 单独使用测试

背景

  • exec 系列函数用于在当前进程中执行另一个程序，替换原进程的正文段和数据段。

  • 不会创建新进程，调用成功后，原进程空间会被新程序完全替换，PID 不变。

  • 常用函数：execve() 是底层实现函数，最通用。

原理说明
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);

  • pathname：程序的完整路径

  • argv[]：参数数组，第一个元素是程序名，最后一个必须是 NULL

  • envp[]：环境变量数组，可为 NULL

实验流程

  1. 编写 erlou.c，作为目标执行程序（输出传参内容）

  2. 编写 execve_test.c，调用 execve 跳转执行 erlou

关键逻辑
char *args[] = {"/完整路径/erlou", "banzhang", NULL};
char *envs[] = {"PATH=...省略...", NULL};
execve(args[0], args, envs);

  • 若参数不足，目标程序内部会打印“参数不够，上不了二楼”

  • 一旦 execve() 成功，后续代码不再执行（控制权已转移）

2）fork + execve 联合使用

场景模拟

  • 老学员在一楼学习（父进程）

  • 通过 fork() 创建新学员进程

  • 子进程使用 execve() 跳转至二楼（执行另一个程序）

  • 父进程保持原样继续学习

关键逻辑
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {char *args[] = {"/完整路径/erlou", "ergou", NULL};execve(args[0], args, envs);
}

  • fork() 创建子进程

  • 子进程替换自己，进入新程序

  • 父进程输出提示，不受影响

四、 waitpid：父进程回收子进程

为什么需要 wait/waitpid？

  • 若父进程不回收子进程，子进程会变成僵尸进程

  • 僵尸进程虽已结束，但其资源（如 PCB）未被释放

  • 会被系统进程（init 或 systemd）回收，但应主动处理

waitpid 用法

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

  • pid：要等待的子进程

    • -1：等待任意子进程（最常用）

  • status：用于存储子进程的退出状态

  • options：

    • 0：阻塞等待

    • WNOHANG：非阻塞

    • WUNTRACED：也返回停止的子进程

    • WCONTINUED：也返回继续执行的子进程

实验流程

  • 创建子进程后，子进程执行 ping

  • 父进程使用 waitpid() 等待子进程完成后回收

关键逻辑
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {char *args[] = {"/usr/bin/ping", "-c", "50", "www.atguigu.com", NULL};execve(args[0], args, NULL);
} else {waitpid(pid, &status, 0); // 父进程挂起等待子进程退出
}

总结

技术点关键特性
execve当前进程被新程序完全替换，原代码不再执行
fork + execve创建子进程，再让子进程切换到新程序，实现分离执行流程
waitpid用于等待和回收子进程，防止出现僵尸进程

以下是根据你提供的内容整理的 Obsidian 学习笔记格式，去掉了多余代码，只保留关键部分，突出概念理解、运行要点及注意事项：

Linux进程相关概念与实操笔记（二）

六、 进程树（Process Tree）

概念理解

  • Linux进程通过父子关系组织，形成“进程树”。

  • 每个进程只有一个父进程，但可以有多个子进程。

  • 所有进程最终追溯到：

    • 用户空间：PID=1 的进程，通常为 systemd

    • 内核空间：PID=2 的第一个内核线程

  • 这两个最早的进程，父进程ID为 0，即由内核创建。

示例说明

  • 使用 fork() 创建子进程。

  • 子进程中调用 execve() 执行另一个程序。

  • 父进程阻塞等待，防止程序提前退出，便于测试。

char bye = fgetc(stdin); // 阻塞等待输入，模拟挂起
进程树观察方法

  • ps -ef：查看所有进程

  • pstree：树状展示进程结构

  • pstree -p：附带 PID 的树状结构

  • 父进程终止后，子进程会被 systemd 自动领养（变为孤儿进程）

七、 孤儿进程（Orphan Process）

定义

  • 父进程先于子进程结束，子进程尚未结束时，该子进程称为“孤儿进程”。

  • 孤儿进程将被 init（即 systemd）进程自动收养。

实验说明

  1. 子进程执行 sleep(100) 保持活跃

  2. 父进程不等待子进程结束，直接返回

  3. 使用 ps -ef | grep [pid] 查看子进程状态

  4. 使用 pstree 查看其被 systemd 收养

sleep(100); // 模拟子进程长时间运行
编程注意

  • 避免父进程提前退出导致孤儿进程

  • 可使用 wait() 或 waitpid() 正确回收子进程

总结

概念说明
进程树所有用户进程最终来源于 PID=1 的 systemd
内核线程显示为 []，起始 PID=2，非用户空间线程
孤儿进程父进程已退出、子进程仍存活；最终会被 systemd 领养
观察工具ps -ef, pstree, pstree -p
编程实践建议合理使用 wait/waitpid，避免产生孤儿进程
http://www.dtcms.com/a/330141.html

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