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Linux应用(3)——进程控制

news 2025/9/9 10:54:17

一、简介

1.1 什么是进程

单进程：一个正在进行/运行的程序
多进程：多个正在进行/运行的程序

1.2 进程特点

能运行： 肯定存在main主函数
没结束： 程序运行没结束
内存空间：程序运行后，才变为进程，系统才会给进程分配一块运行空间

1.3 进程的用途

解决多功能的并发运行问题，当单核CPU需要并发执行多个功能时，采用裸机处理思想(标志位/中断)复杂度较高；为了解决该问题，引入了操作系统
M系列MCU中：引入小型的实时操作系统：ucos freertos liteos  系统中都是 多任务 概念
A系列MCU中：引入大型的分时操作系统：linux 鸿蒙 安卓   系统中都是多进程/多线程
多进程控制、通信 实际上就是应用算法： 主要用于系统的应用开发中

1.4 进程状态

简单认为进程状态： 就绪态、运行态、阻塞态、死亡态

R (running)   ：运行状态 表明进程要么是在运行中要么在运队列。
S (sleeping)  ：浅度睡眠状态
D (disk sleep) ：不可中断睡眠状态 此状态只能自己醒过来，在这个状态的进程通常会等待IO的结束。
T (stopped)  ：停止状态
X (dead)       ：死亡状态
Z (zombie)   ：僵尸状态 此进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。

1.5 进程与freertos任务对比

对比

linux

freertos

用途上

解决CPU多功能并发运行问题

解决CPU多功能并发运行问题

功能名称上

多进程、多线程

多任务

功能状态上

运行态、阻塞态、死亡态

运行态、阻塞态、死亡态

功能切换上

  1. 阻塞类相关API函数
  2. 公平/权重为主、优先级抢占为辅
  1. 阻塞类相关API函数
  2. 优先级抢占为主、同优先级时间片为辅

1.6 进程相关系统命令

命令1： ps  -ef     用来查看进程的PID 和本身父进程的PPID

命令2：  ps  -aux   用来查看进程的CPU占用率、MEM占用率、 STAT状态

命令3： kill   -信号值   进程PID    用来给指定进程发送信号
举例：  kill  -9  7689

1.7 进程相关名词

祖先进程：PID固定是1，是linux系统启动后运行的第一个进程
守候进程：孤儿进程就是守候进程的一种；脱离了终端的进程--后台进程
父子进程：是linux下进程的基本框架，任何一个进程都存在父进程(不是随便产生的)
孤儿进程：
父进程先于子进程结束，这时子进程就变成孤儿进程，这时子进程就会被祖先进程接收((也就类似于祖先进程是子进程的父进程了)，
影响：孤儿进程并不会对系统造成危害，因为init进程会负责清理它们。实际上，这是Unix/Linux系统的一种机制，确保进程不会因为父进程的退出而失去管理。
僵尸进程：
子进程先于父进程结束，父进程没有回收子进程占用的内存空间，这时子进程就变成僵尸进程
 影响：僵尸进程不占用系统资源（如内存），但是会占用进程表中的一个位置。如果大量僵尸进程积累，可能会导致系统无法创建新的进程（因为进程表已满）

总结：
孤儿进程：父进程先退出，子进程被init接管，不会造成危害。
僵尸进程：子进程退出，父进程未读取其退出状态，会占用进程表条目，可能造成资源浪费（进程表资源）。
所以从上可知：
1.孤儿进程、僵尸进程 都是针对于 子进程是孤儿还是僵尸
2.孤儿进程、僵尸进程都是不好的状态，都是代码的bug ，都需要优化代码
进程中代码优化(核心： 避免出现孤儿进程 或者僵尸进程)
---理想的结束状态：子进程先于父进程结束，父进程先回收子进程内存空间，然后在结束父进程

二、进程的控制方式

进程的控制方式存在两种：
方式1：在一个进程中运行另一个进程
方式2：在一个进程中创建另一个进程--父子进程

2.1 在一个进程中运行另一个进程

特点

  1. 另一个进程必须是存在且能用运行的
  2. 实现方式：采用 system 或 exec 函数 
  3. 用途： 多功能菜单操作

函数

system 函数应用

头文件：#include <stdlib.h>
函数原型：int system(const char *command);
函数参数：const char *command ： 要运行进程的可执行命令(系统命令、用户自定义命令)
函数返回值：-1：  执行失败
函数功能：执行一个可执行命令 (进程运行)
函数特性：当可执行命令中存在参数并参数通过外部得到时，可以借助于strcat或sprintf 完成完整地可执行命令，然后再作为实参传入

举例：system("cd/tmp;mkdir test_dir;echo '创建成功'")；
或system("cd/tmp && mkdir test_dir &&echo '创建成功'")；

exec 函数簇

是由多个以exec作为函数名开端的同功能函数，是 Linux/Unix 系统编程中一组重要的函数，用于执行新的程序，替换当前进程的映像。这些函数在进程控制中起着核心作用。

头文件：#include <unistd.h>
函数原型：
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[]);
函数参数：
@param: const char *path  ： 包含可执行命令所在的绝对路径   举例   "/bin/ls"
@param: const char *file    ：  可执行命令名                               举例  "ls"
 @param: const char *arg, ... /* (char  *) NULL */  : 包含可执行命令名的所有参数,必须以 NULL 结尾                                                                                       举例  "ls","-l",NULL
@param:  char *const argv[] : 把包含可执行命令名的所有参数封装到数组中,必须以NULL结尾，把数组作为实参                                   举例：char *const argv[] ={ "ls","-l",NULL}；
@param:  char * const envp[]  ：  设置的环境变量，必须以 NULL 结尾 "PATH=你所使用可执行命令所在的绝对路径", NULL                 举例   "PATH=/bin", NULL
函数返回值： 调用是否成功 
这些函数的区别在于：
1.参数传递方式：参数列表（l）还是数组（v）
2.是否使用环境变量PATH查找可执行文件（p）
如果 没有p :  可执行命令就需要绝对路径形式表示
如果  有 p :   可执行命令无需绝对路径
3.是否传递自定义环境变量（e）
如果 没有 e ;  不需要环境变量作为参数
如果 有    e  :  需要环境变量作为参数
----从上述来看   使用比较简单的函数  execlp  或者   execvp

以  "touch  1.txt  2.txt"  举例  

函数  execl应用： execl("/bin/touch", "touch","1.txt","2.txt",NULL);
函数 execlp 应用：execlp("touch","touch","1.txt","2.txt",NULL );
函数execle应用：
char * const envp[]={"PATH=/bin",NULL}；
execle("/bin/touch", "touch","1.txt","2.txt",NULL,  envp);
函数execv应用：
char *const argv[]={"touch","1.txt","2.txt",NULL};
execv("/bin/touch", argv);
函数execvp应用：
char *const argv[]={"touch","1.txt","2.txt",NULL};
execvp("touch", argv);
函数execvpe应用
char *const argv[]={"touch","1.txt","2.txt",NULL};// 参数数组
char * const envp[]={"PATH=/bin",NULL}；//环境变量数组
execvpe("touch",  argv,  envp);

system与exec对比

system会阻塞当前进程直到命令执行完成，然后继续执行后续代码。
exec成功时不会返回，当前进程被新程序完全替换,执行完后原进程不再执行--通常会用在父子进程中，结束父子进程的运行

2.2 在一个进程中创建另一个进程

特点

  1. 另一个进程是不存在，所有要创建
  2. 新创建的进程---就是子进程；原来的进程--就是父进程
  3. 父子进程是多进程的一种特例
    多进程： 多个独立的带有main主函数的程序
    父子进程：还是只有一个main主函数，分成了父子进程
  4. 用途
    父子进程： 主要用于处理2个关系比较密切的并发功能
    多进程  ： 主要用于处理多个关系不密切的并发功能
    多线程  ： 主要用于处理多个关系比较密切的并发功能

函数

fork    vfork  进程创建
getpid   getppid  得到自身进程PID ，和得到自身父进程的ppid
exit  _exit    return  进程的退出
wait  waitpid  进程的等待(进程空间的回收)

fork  vfork函数 

头文件：#include <unistd.h>
函数原型：pid_t fork(void);
函数参数：无
函数返回值：pid_t
<0: 创建失败；
==0： 返回子进程操作
>0  :  返回父进程操作 (具体数值就是子进程的PID)
函数功能：
它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程函数执行顺序：
1.该函数调用一次，会依次产生两个返回值(==0  和 >0)
2.先返回哪个数值是不确定的，通常先返回 >0的
3.当返回>0数值时就表示进入父进程操作，在父进程中遇到阻塞类相关API函数，父进程就会进入阻塞态
4.父进程进入阻塞态，这时就再次返回 ==0数值，就表示进入子进程操作在子进程中遇到阻塞类相关API函数，子进程就会进入阻塞态
5.这时CPU就会在父子进程之间切换 (运行、就绪、阻塞、死亡)
6. fork前内容是父进程独有，只会执行一次；fork后内容父子进程共有，共有的内容会执行两次(父进程执行一次，子进程执行一次)，所有为了操作的方便，fork后最好不要设计父子共有的内容，全部设计成父子独有内容(独有内容只会执行一次)

函数特性：
1.该函数调用一次，会依次产生两个返回值(==0  和 >0)
2.写时复制：创建的子进程复制父进程的内存空间，父子进程占用不同的内存空间，父子进程内数据之间不会相互干扰
3.所以为了操作方便，在父子进程独有操作中单独定义数据，不要在fork前定义数据
4.资源继承： 子进程继承父进程的文件描述符也就是说：在fork前open的文件，是父子进程共有的

函数框架

函数框架
pid_t  pid;//进程PID
pid =fork();// 进程创建
/* 在if之前添加的内容 就都是共有的*/
if(pid <0)// 基本不会执行到
{perror("fork error\n");return -1;
}
else if(pid==0)// 返回子进程操作
{/* 子进程独有*/
// 在这里定义子进程所需数据while(1){ }
}
else if(pid>0)// 或者 else 返回父进程操作
{/* 父进程独有*/// 在这里定义父进程所需数据while(1){  }
}
/* 在if形式后添加的内容 就都是共有的*/

getpid getppid 函数

头文件：#include<unistd.h>
函数原型：pid_t getpid(void);
函数返回值： 得到自身的PID
该函数在哪个进程中调用，就得到哪个进程自身的PID

头文件：#include<unistd.h>
函数原型：pid_t getppid(void);
函数返回值： 得到自身父进程的PPID
该函数在哪个进程中调用，就得到哪个进程父进程的PPID

exit 、_exit、return 函数区别

进程的退出--结束
#include <stdlib.h>
void exit(int status);
函数参数： 会先刷新一下缓冲区，然后结束进程；

结束进程时的返回状态  ，类似于 return 数值;

进程的退出--结束
#include <unistd.h>
void _exit(int status);
函数参数：不会刷新缓冲区，直接结束进程；
结束进程时的返回状态  ，类似于 return 数值;

举例1:
printf("hello\n");
exit(0);// 等价于 _exit(0);
举例2：
printf("hello");
exit(0);//运行结束：终端会输出 "hello"
举例3：
printf("hello");
_exit(0);//运行结束：终端不会输出 "hello"


1.return是C语言的关键字，exit、_exit是函数。
2.return是语言级别的，表示调用堆栈的返回。
3._exit是系统调用级别的函数，表示一个进程结束
4.exit函数是C函数库提供的用户级函数
return用于结束一个函数的执行，将函数的执行信息传出，给其他调用函数使用；
exit函数是退出应用程序，删除进程使用的内存空间，并将应用程序的一个状态返回给OS(操作系统)，这个状态标识了应用程序的一些运行信息，这个信息和机器和操作系统有关，一般是 0 为正常退出，非0 为非正常退出。
非主函数中调用return和exit效果很明显，但是在main函数中调用return和exit的现象就很模糊，多数情况下现象都是一致的

wait,waitpid

头文件:#include<sys/types.h> ;#include<sys/wait.h>
函数原型:pid_t wait (int * status);
函数参数：int * status ： 得到的子进程结束时的状态，也就是exit的实参，退出码必须在0~255之间   如果不想要子进程状态，那 NULL
函数返回值：执行成功则返回子进程PID，如果有错误发生则返回-1。
函数功能：阻塞式等待任意一个子进程结束，并回收子进程空间，避免留下僵尸进程

头文件：#include<sys/types.h>，#include<sys/wait.h>
函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid,int * status,int options);
函数参数：
@param1  pid_t pid    ：  要等待的子进程PID
@param2  int * status ： 得到的子进程结束时的状态，也就是exit的实参，
如果不想要子进程状态，那 NULL
@param3  int options： 等待状态
0                  ： 一直等待，直到等到指定子进程---常用
WNOHANG ：不予以 等待
函数返回值：执行成功则返回子进程PID，如果有错误发生则返回-1。
函数功能：阻塞式等待指定子进程结束，并回收子进程空间

三、守候进程

守护进程（daemon）称为在后台运行且不受终端控制的进；
常用于提供系统服务或执行定期任务。
怎样让一个进程变为守候进程？
创建守护进程的步骤通常包括：
1.创建子进程，父进程退出（使子进程成为孤儿进程，并被init进程接管）
2.在子进程中创建新会话（setsid）
3.改变当前工作目录到根目录（避免占用可卸载的文件系统）
4.重设文件权限掩码（umask）
5.关闭不需要的文件描述符（特别是标准输入、输出、错误）

四、习题

1.孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程
2.僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵死进程，但僵尸进程无法生成新的进程
  僵尸进程必须使用waitpid/wait接口等待
父进程先于子进程退出，则子进程成为孤儿进程
孤儿进程运行在系统后台
孤儿进程会被以下init系统进程接管
exit函数退出一个进程时会刷新文件缓冲区
_exit函数退出一个进程时不会刷新文件缓冲区

编程题1：文件共享技术
若在fork()之前打开文件，则父子进程会共享这个文件的读写位置；若在fork()之后，由父子进程分别打开文件，则在父子进程中文件独立位置是彼此独立的。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <dirent.h>
#include <string.h>//   ./main    1.txt    2.txt
int main(int argc, char *argv[])
{off_t  size;pid_t  ret1;int    fd1;fd1 = open(argv[1], O_RDWR|O_TRUNC);if(fd1 == -1){printf("file %s was not exist!\n", argv[1]);return -1;}ret1 = fork();//创建子进程if(ret1 == 0){//child only，运行子进程sleep(1); //阻塞1秒size = lseek(fd1, 0, SEEK_CUR);//由于fd1是在fork前执行的，父子共享，此时文件指针为5，当前位置偏移0后的相对于文件开始处绝对偏移量为5字节printf("size = %ld\n", size);//5exit(0);}else{//parent only，一般默认父进程先执行lseek(fd1, 0, SEEK_END);//从文件尾部移动0字节write(fd1,”hello”,5);   //写入了5个字节，文件指针偏移5；wait(NULL);             //等待子进程，代码运行到此处运行子进程exit(0);}
}

2.编程题

编写程序创建一个子进程，父进程打印“parent process”字样和自己的pid；子进程打印“child process”字样以及自己的pid和ppid，并通过exec更改代码段，执行cat命令，cat命令中的参数文件为自己的源程序文件。运行结果截图。注意：运行结果中子进程的ppid是否是父进程的pid？若不是，原因是什么，如何修改程序让两者相同？

不是，因为父进程已经结束，子进程已经变成孤儿进程，被祖先进程init（1）接收修改方式;在父进程中结束前 调用  wait 或 waitpid 函数

#include<sys/types.h> 
#include<sys/wait.h> 
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t ret1;ret1=fork();if(ret1<0){printf("创建失败!\n");return -1;}else if(ret1==0)//进入子进程{pid_t childID,parentID;printf("child process\n");childID=getpid();parentID=getppid();printf("childID=%d,parentID=%d\n",childID,parentID);execlp("cat","cat","1.c",NULL);exit(0);}else//进入父进程{pid_t parentID;printf("parent process\n");parentID=getpid();printf("parentID=%d\n",parentID);wait(NULL);exit(0);}
}

 


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