4、linux c 进程

【三】进程

1. 进程与程序的区别

• 程序：存放在磁盘上的指令和数据的有序集合（文件），是静态的。

• 进程：执行一个程序所分配的资源的总称，是动态的。

2. 进程的组成部分

• BSS段（bss）：存放程序中未初始化的全局变量。

• 数据段（data）：存放已初始化的全局变量。

• 代码段（text）：存放程序执行代码。

• 堆（heap）：通过malloc等函数分配内存，动态扩张或缩减。

• 栈（stack）：存放局部变量、函数参数和函数返回值，先进后出。

• 进程控制块（PCB）：包含进程ID（PID）、进程优先级、文件描述符表等。

3. 进程类型

• 交互进程：用户通过终端与系统交互的进程。

• 批处理进程：在后台运行，不需要用户交互。

• 守护进程：在后台运行的特殊进程，通常用于系统服务。

4. 进程状态

• 运行态：进程正在运行。

• 等待态：进程等待某些资源（如I/O）。

• 停止态：进程被暂停。

• 死亡态：进程已结束，但父进程尚未读取其状态信息。

5. 堆与栈

• 堆（heap）：用于存放进程运行中被动态分配的内存段，当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）

• 栈（stack）：又称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，（但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进后出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

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一、查看进程信息

1. ps命令

用于查看系统进程的快照。

1.1 常用参数

• -e：显示所有进程。

• -l：长格式显示更详细信息。

• -f：全格式显示，通常与其他选项联用。

1.2 输出字段说明

字段	含义
F	进程标志，说明进程的权限。常见标志：1（不可执行）、4（超级用户权限）等。
S	进程状态。常见状态：-D（不可唤醒的睡眠状态）、-R（运行）、-S（睡眠）、-T（停止）、-Z（僵尸进程）等。
UID	运行此进程的用户ID。
PID	进程的ID。
PPID	父进程的ID。
C	进程的CPU使用率（百分比）。
PRI	进程的优先级，数值越小优先级越高。
NI	进程的nice值，数值越小优先级越高。
ADDR	进程在内存中的位置。
SZ	进程占用的内存大小。
WCHAN	进程是否运行，"-"表示正在运行。
TTY	进程由哪个终端产生。
TIME	进程占用CPU的时间。
CMD	产生此进程的命令名。

1.3 示例

ps -elf

2. top命令

用于查看进程的动态信息。

2.1 常用操作

• shift + >：后翻页。

• shift + <：前翻页。

• top -p PID：查看指定进程。

3. /proc目录

用于查看进程的详细信息。

每个进程在/proc目录下都有一个以PID命名的子目录，包含进程的各种信息文件，如status、maps等。

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二、改变进程优先级

1. nice命令

按用户指定的优先级运行进程。

1.1 命令格式

nice [-n NI值] 命令

• NI值范围：-20~19。

  • 数值越大，优先级越低。

  • 普通用户可调整范围为0~19，只能调高优先级。

  • 只有root用户可以设置负值。

2. renice命令

改变正在运行进程的优先级。

2.1 命令格式

renice [优先级] PID

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三、进程管理

1. 查看后台进程

1.1 命令

jobs

2. 将挂起的进程在后台运行

2.1 命令

bg

3. 将后台进程放到前台运行

3.1 命令

fg

4. 将前台进程转为后台并停止

4.1 操作

Ctrl + Z

5. 后台运行程序

5.1 示例

./test &

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四、创建子进程

1. fork()函数

创建新的进程。

1.1 函数原型

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

1.2 返回值

• 成功：

  • 父进程返回子进程的PID。

  • 子进程返回0。

• 失败：返回-1。

1.3 特点

• 子进程只执行fork()之后的代码。

• 父子进程的执行顺序由操作系统决定。

• 子进程继承父进程的内容，但父子进程有独立的地址空间。

1.4 注意事项

• 若父进程先结束：

  • 子进程成为孤儿进程，被init进程收养。

  • 子进程可能成为后台进程。

• 若子进程先结束：

  • 父进程如果没有及时回收，子进程变成僵尸进程。

1.5 示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
​
int main() {pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {printf("I am the child process, PID: %d\n", getpid());} else {printf("I am the parent process, PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), pid);}return 0;
}

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五、进程的退出

1. exit()函数

结束当前进程。

1.1 函数原型

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

1.2 特点

• 会刷新流缓冲区。

• 通常用于正常退出。

2. _exit()函数

结束当前进程。

2.1 函数原型

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

2.2 特点

• 不刷新流缓冲区。

• 通常用于异常退出。

3. return与exit的区别

• main函数结束时会隐式调用exit。

• 普通函数的return是返回上一级。

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六、进程的回收

1. wait() 函数

回收子进程。

1.1 函数原型

#include <unistd.h>
pid_t wait(int *status);

1.2 返回值

• 成功时返回回收的子进程的 PID。

• 失败时返回 -1。

1.3 特点

• 若子进程未结束，父进程会阻塞。

• status 用于保存子进程的返回值和结束方式。

• 若 status 为 NULL，表示直接释放子进程的 PCB。

2. waitpid() 函数

更灵活的子进程回收。

2.1 函数原型

#include <unistd.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

2.2 参数说明

• pid：

  • >0：只等待指定 PID 的子进程。

  • = -1：等待任意子进程。

  • = 0：等待同一进程组中的子进程。

  • < -1：等待指定进程组中的子进程。

• options：

  • WNOHANG：非阻塞，若子进程未结束，立即返回 0。

  • WUNTRACED：返回终止子进程信息和因信号停止的子进程信息。

2.3 示例代码

示例 1：wait() 示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
​
int main() {pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork failed");return 1;}
​if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process, PID: %d\n", getpid());sleep(2); // 模拟子进程运行printf("Child process finished\n");return 0; // 子进程退出} else {// 父进程printf("Parent process, PID: %d, waiting for child...\n", getpid());int status;wait(&status); // 等待子进程结束printf("Child process exited with status: %d\n", status);return 0;}
}

示例 2：waitpid() 示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
​
int main() {pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork failed");return 1;}
​if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process, PID: %d\n", getpid());sleep(3); // 模拟子进程运行printf("Child process finished\n");return 0; // 子进程退出} else {// 父进程printf("Parent process, PID: %d, waiting for child...\n", getpid());int status;pid_t ret = waitpid(pid, &status, WNOHANG); // 非阻塞等待子进程if (ret == 0) {printf("Child process is still running\n");} else if (ret == -1) {perror("waitpid failed");} else {printf("Child process exited with status: %d\n", status);}return 0;}
}

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七、exec 函数族

1. 背景

fork 创建进程后，子进程会继承父进程的代码和数据，父子进程执行相同的代码。然而，在实际开发中，我们通常希望子进程执行与父进程不同的程序。exec 函数族的作用就是用来替换当前进程的代码和数据，从而执行指定的程序。

2. 作用

exec 函数族用于替换当前进程的代码和数据，执行指定的程序。这些函数不会创建新的进程，而是直接替换当前进程的内容。

3. 函数原型

#include <unistd.h>
​
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int system(const char *command);

4. 参数说明

4.1 execl

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

• path：指定要执行的程序的路径。

• arg：传递给程序的参数列表，必须以 NULL 结尾。

• 特点：参数列表是可变参数，每个参数都是字符串。

4.2 execlp

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

• file：指定要执行的程序的文件名。execlp 会在环境变量 PATH 中查找该文件。

• arg：传递给程序的参数列表，必须以 NULL 结尾。

• 特点：不需要指定文件的全路径，execlp 会自动在 PATH 中查找。

4.3 execv

int execv(const char *path, char *const argv[]);

• path：指定要执行的程序的路径。

• argv：传递给程序的参数数组，必须以 NULL 结尾。

• 特点：参数以数组形式传递，适合参数较多的情况。

4.4 execvp

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

• file：指定要执行的程序的文件名。execvp 会在环境变量 PATH 中查找该文件。

• argv：传递给程序的参数数组，必须以 NULL 结尾。

• 特点：不需要指定文件的全路径，execvp 会自动在 PATH 中查找。

4.5 system

int system(const char *command);

• command：要执行的命令字符串。

• 特点：system 是一个高级函数，会调用 /bin/sh 来执行命令。它会创建一个子进程来运行命令，并等待命令执行完成。

5. 返回值

• 成功：执行指定的程序，不会返回到调用 exec 的代码。

• 失败：返回 -1，并设置 errno。

6. 特点

1. 进程替换：exec 函数会替换当前进程的代码和数据，但进程号（PID）保持不变。

2. 参数传递：

   • 第一个参数（如 arg 或 argv[0]）通常是程序的名称，虽然它在程序中没有实际用途。

   • 参数列表或数组必须以 NULL 结尾。

3. 路径查找：

   • execl 和 execv 需要指定程序的完整路径。

   • execlp 和 execvp 会在环境变量 PATH 中查找程序。

4. 环境变量：exec 函数不会改变当前进程的环境变量。

7. 示例代码

示例 1：execl 示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
​
int main() {printf("Before exec\n");execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 替换当前进程为 ls 程序printf("After exec\n"); // 不会执行到这里return 0;
}

示例 2：execlp 示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
​
int main() {printf("Before exec\n");execlp("ls", "ls", "-l", NULL); // 替换当前进程为 ls 程序printf("After exec\n"); // 不会执行到这里return 0;
}

示例 3：execv 示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
​
int main() {printf("Before exec\n");char *args[] = {"/bin/ls", "-l", NULL};execv("/bin/ls", args); // 替换当前进程为 ls 程序printf("After exec\n"); // 不会执行到这里return 0;
}

示例 4：execvp 示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
​
int main() {printf("Before exec\n");char *args[] = {"ls", "-l", NULL};execvp("ls", args); // 替换当前进程为 ls 程序printf("After exec\n"); // 不会执行到这里return 0;
}

示例 5：system 示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
​
int main() {printf("Before system\n");system("ls -l"); // 使用 shell 执行命令printf("After system\n"); // 会执行到这里return 0;
}

---

exec 函数族的使用注意事项

1. 参数传递

• 参数列表或数组必须以 NULL 结尾，否则会导致未定义行为。

• 第一个参数（如 arg 或 argv[0]）通常是程序的名称，虽然它在程序中没有实际用途，但建议正确填写。

2. 环境变量

• exec 函数不会改变当前进程的环境变量。如果需要修改环境变量，可以使用 putenv 或 setenv 函数。

3. 文件描述符

• 在调用 exec 函数之前，应确保关闭不需要的文件描述符，以避免资源泄漏。

• 如果需要保留某些文件描述符（如日志文件），应确保它们在调用 exec 之前已正确打开。

4. 错误处理

• 如果 exec 函数失败，会返回 -1，并设置 errno。可以通过 perror 或 strerror 获取错误信息。

• 常见错误包括：

  • 文件路径错误或文件不存在。

  • 文件没有执行权限。

  • 环境变量 PATH 中未找到程序。

1. 与 fork 结合使用

• exec 函数通常与 fork 结合使用，创建子进程并执行不同的程序。

• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
​
int main() {pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork failed");return 1;}
​if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process, PID: %d\n", getpid());execlp("ls", "ls", "-l", NULL); // 子进程执行 ls 程序perror("execlp failed"); // 如果 execlp 失败，会执行到这里return 1;} else {// 父进程printf("Parent process, PID: %d\n", getpid());wait(NULL); // 等待子进程结束printf("Child process finished\n");}return 0;
}

6. 使用 system 的注意事项

• system 函数会调用 /bin/sh 来执行命令，因此可能会引入安全风险（如注入攻击）。

• 如果需要执行简单的命令，可以使用 system，但建议优先使用 exec 函数族。

• 示例：避免注入攻击

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
​
int main() {char *filename = "test.txt";char command[256];snprintf(command, sizeof(command), "ls -l %s", filename); // 安全地构造命令system(command);return 0;
}

---

八、守护进程（Daemon Process）

1. 概念

守护进程（Daemon Process）是一种生存期较长的进程，通常独立于控制终端，并周期性地执行某种任务或等待处理某些事件。

2. 特点

• 始终在后台运行，独立于任何终端。

• 周期性地执行任务或等待处理特定事件。

• 是一种特殊的孤儿进程，脱离终端，避免被终端信息打断。

3. 创建守护进程

3.1 简便方法

使用 nohup 命令：

nohup xxxx &

3.2 使用 setsid 函数

#include <unistd.h>
​
pid_t setsid(void);

• 成功时返回调用进程的会话 ID。

• 失败时返回 -1，并设置 errno。

• 调用 setsid 的进程成为新的会话组长和组长进程。

3.3 使用 getsid 函数

#include <unistd.h>
​
pid_t getsid(pid_t pid);

• 成功时返回调用进程的会话 ID。

• 失败时返回 -1，并设置 errno。

• 参数 pid 为 0 时，查看当前进程的会话 ID。

3.4 其他辅助函数

• getpid：获取进程 ID。

  pid_t getpid(void);

• getpgid：获取进程组 ID。

  pid_t getpgid(pid_t pid);

4. 创建守护进程的步骤

1. 创建子进程，父进程退出：

   if (fork() > 0) {exit(0); // 父进程退出
   }

2. 子进程变成孤儿进程，被 init 进程收养：

   • 子进程在后台运行。

3. 子进程创建新会话：

   if (setsid() < 0) {exit(-1); // 创建会话失败
   }

   • 子进程成为新的会话组长。

   • 子进程脱离原先的终端。

4. 更改当前工作目录：

   chdir("/"); // 或 chdir("/tmp");

   • 防止守护进程的工作目录被卸载。

5. 重设文件权限掩码：

   umask(0); // 文件权限掩码设置为 0

6. 关闭打开的文件描述符：

   for (int i = 0; i < 3; i++) {close(i); // 关闭标准输入、输出和错误
   }

4.1 示例代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
​
int main() {// 创建子进程，父进程退出if (fork() > 0) {exit(0); // 父进程退出}
​// 创建新会话if (setsid() < 0) {perror("setsid failed");exit(-1);}// 更改当前工作目录
if (chdir("/") < 0) {perror("chdir failed");exit(-1);
}
​
// 重设文件权限掩码
umask(0);
​
// 关闭打开的文件描述符
for (int i = 0; i < 3; i++) {close(i); // 关闭标准输入、输出和错误
}
​
// 执行守护进程的任务
while (1) {printf("Daemon process running...\n");sleep(10); // 模拟周期性任务
}
​
return 0;
}

九、守护进程的注意事项

1. 避免守护进程占用终端

守护进程不应与终端关联，否则可能会因终端关闭而退出。使用 setsid() 可以确保进程脱离终端。

2. 防止工作目录被卸载

守护进程的工作目录应设置为根目录（/）或 /tmp，避免因工作目录被卸载而导致守护进程无法运行。

3. 关闭不必要的文件描述符

守护进程不应继承父进程的文件描述符。关闭标准输入、输出和错误（stdin、stdout、stderr），并根据需要重新打开日志文件。

4. 日志记录

守护进程通常需要记录日志以便调试和监控。可以将日志写入 /var/log 或其他日志文件中，而不是直接输出到终端。

5. 示例：守护进程与日志记录

示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
​
int main() {// 创建子进程，父进程退出if (fork() > 0) {exit(0); // 父进程退出}
​// 创建新会话if (setsid() < 0) {perror("setsid failed");exit(-1);}
​// 更改当前工作目录if (chdir("/") < 0) {perror("chdir failed");exit(-1);}
​// 重设文件权限掩码umask(0);
​// 关闭标准输入、输出和错误for (int i = 0; i < 3; i++) {close(i);}
​// 打开日志文件int log_fd = open("/var/log/mydaemon.log", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);if (log_fd < 0) {perror("open log file failed");exit(-1);}
​// 重定向标准输出和错误到日志文件dup2(log_fd, STDOUT_FILENO);dup2(log_fd, STDERR_FILENO);
​// 执行守护进程的任务while (1) {printf("Daemon process running...\n");sleep(10); // 模拟周期性任务}
​return 0;
}