Linux 开发系列笔记(2.2) - 进程基本控制

建站提交历史文章，原文写作时间 2023 年 2 月前后。

进程基本控制

进程创建、进程查看、进程重载、进程调试、进程回收

进程状态命令

查看与设置进程资源限制

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$ ulimit -a  // 查看全部进程资源限制
// About more of shell command: "ulimit --help" or "help ulimit"
// About more of linux api: "man 2 getrlimit" or "man 2 setrlimit"

查看进程状态快照

1	$ ps aux // 或 ps ajx

(默认)：显示当前终端进程及其子进程的粗略信息。
a：显示终端上的所有进程，包括其他用户进程。
x：显示无终端的所有进程，不包括其他用户进程。
u：显示进程详细信息。多为用户关注信息，如：CPU占用、内存占用、STAT状态。
j：显示进程详细信息。多为控制相关信息，如：PPID、GID、STAT状态。

STAT状态：

状态：
    R    运行或就绪
    S    可中断的睡眠
    D    不可中断的睡眠 (usually IO)
    Z    僵尸进程 (nearly dead)
    X    已死 (should never be seen)
    I    空闲的内核线程
    T    停止或被追踪
    t    追踪时被调试器停止

其他：
    <    高优先级 (not nice to other users)
    N    低优先级 (nice to other users)
    s    拥有子进程
    l    拥有多线程
    +    前台进程

监视实时进程状态

1 2	$ top $ top -d 1 // 设置刷新时间间隔(秒)

按键操作：

h：相关帮助。
P：按CPU占用排序。
M：按内存占用排序。
T：按运行时长排序。
U：按用户名筛选。
k：杀死进程，输入无效数据退出。
q：退出top。

杀死进程

1 2	kill <pid> // 杀死进程（默认通过 15 号信号） kill -9 <pid> // 通过 9 号信号强制杀死进程(自杀, 杀死暂停进程), "kill -l" 查看所有信号。

查看与设置进程号

getpid，getppid
关于进程组与会话相关更多内容见2.4.1 进程、进程组、会话章节。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//     get process id
//         return value:
//             return process id of current process, or -1 for error
pid_t getpid(void);
//     get parent process id
//         return value:
//             return parent process id of current process, or -1 for error
pid_t getppid(void);

// About more:
// $ man 2 getpid

创建子进程

创建进程分叉

进程分叉将创建当前进程（父进程）的拷贝。进程分叉初始，父进程与子进程具有完全相同的状态：两者共享相同代码，运行到代码的相同位置，具有完全相同的数据集。当然，两者的进程标识pid与ppid是不同的。
返回值：进程分叉将有两个返回值，一个来自父进程，一个来自子进程。
- 在父进程中，返回子进程的pid。
- 在子进程中，返回0。
- 如果进程创建异常，不会产生子进程，返回-1。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
// create a child fork process
pid_t fork(void);

示例：

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

int main() {
    printf("Fork test:\n");
    
    int pid = fork();
    
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        return -1;
    } else if (pid) {
        // parent process
        printf("This is parent process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(1);
    } else {
        // child process
        printf("This is child process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(1);
    }
    
    for (int i = 1; i <= 3; i++) {
        printf("%d\t%d\n", getpid(), i);
    }
    
    return 0;
}

输出：

Fork test:
This is parent process, pid = 10001, ppid = 1506  // 假设父进程 id 为 10001
This is child process, pid = 10086, ppid = 10001  // 假设子进程 id 为 10086
10001    1
10086    1
10001    2
10086    2
10086    3  // 无法预判父子进程谁先谁后
10001    3

注：由于fork直译为分叉，所以该进程创建又称为进程分叉。

进程分叉内存管理原理

fork函数将进程进行拷贝，生成一个完全相同的进程。
由于fork函数生成一个完全相同的进程，因此子进程将与父进程有相同的虚拟地址映射表。换言之，子进程与父进程的虚拟地址映射到相同的物理地址，但是两者在数据上应该具有独立性，这导致了子进程与父进程对当前数据只有读的权限，不具备写的权限。如果进程对物理地址的值进行修改，将导致两者的数据同时发生修改，这不是期望发生的。
进程分叉运用了写时拷贝的技术，具备了写的权限，同时为进程分叉节约了大量的时间与空间。在进程分叉的初始状态，子进程与父进程的虚拟内存指向相同的真实内存空间，当子进程与父进程的任意一方需要修改时，修改部分的虚拟内存会指向一片新的真实内存，并赋予这个空间新的值。这样做的好处是，例如代码和一些无需更改的数据，将不会重复占用真实内存。

以上过程均由内核自动完成。

退出进程

进程退出的方法有三种：_exit(0)、exit(0)（推荐）、main函数中的return 0。
main函数中的return 0实际上是调用了exit(0)。
exit函数是标准C库函数，是对Linux函数_exit的封装。

#include <unistd.h>
//     exit a process
//         status:
//             exit status, 0~255
void _exit(int status);

#include <stdlib.h>
//     exit a process
//         status:
//            exit status
void exit(int status);

GDB 多进程调试

关闭detach-on-fork才能在调试中切换进程。

1 2	(gdb) show detach-on-fork // 显示 detach-on-fork 选择 (gdb) set detach-on-fork off // 关闭 detach-on-fork 选项, on / off

设置follow-fork-mode跟踪起始进程。

1 2	(gdb) show follow-fork-mode // 显示 follow-fork-mode 选择 (gdb) set follow-fork-mode parent // 设置 follow-fork-mode 选项, parent / child

切换跟踪进程。

// 请先确保 detach-on-fork 选项关闭
// 切换至的进程将处于暂停状态, 暂停在进程创建位置, 或上次进程切出时位置
// 暂停时, 进程 STAT 为 t, 可使用 "ps" 查看
(gdb) info inferiors  // 显示所有进程及其 ID
(gdb) inferior <ID>  // 切换跟踪进程

exec 函数簇重载进程

execl、execlp、execle、execv、execvp、execvpe
exec函数簇将重载进程，直接覆盖当前进程代码，因此exec函数簇通常需要在fork进程中执行。
l：参数使用列表传递，传递一系列参数，以NULL参数（哨兵）结尾。
p：在环境变量和当前路径中查找file，其他函数仅在当前路径查找。
e：传递envp数组指定路径搜索目录，此时哨兵显得尤为重要。
v：参数使用argv数组传递，而不是参数列表。

#include <unistd.h>
int execl(const char *pathname, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
int execle(const char *pathname, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char *const envp[] */);
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
//     execute a file
//         pathname / file:
//             the file path to execute
//         return value:
//             no return on success, or return -1 for error

// About more
// man 3 exec

注：根据习惯，第一个参数为文件名，即本身。如ps aux参数为ps、aux。
注：如果执行成功没有返回值，因为当前进程代码已覆盖，无法继续执行。
注：system 函数实际是对 fork 函数与 exec 函数簇的封装，通常使用 system 函数可以更方便的满足需求。

回收子进程

孤儿进程与僵尸进程

孤儿进程：父进程结束、子进程尚未结束，此时子进程为孤儿进程，init进程（PID为1）代替父进程托管子进程。孤儿进程虽然脱离父进程控制，但是会自然结束，通常不具有危害。
僵尸进程：子进程结束、父进程尚未结束，如果父进程未处理子进程的结束信息，未回收子进程的内核区数据，此时子进程为僵尸进程。在进程概述中讲到，子进程结束不会自动释放内核区数据，等待父进程接收并处理其结束信息。如果处于将死状态的子进程一直存在，将不断占用内核区内存和PID，大量积累具有危害。
父进程不处理僵尸进程，在其结束后，init进程会为其处理僵尸进程。但是如果父进程是长期运行的进程（如服务器进程），危害将持续积累。
wait函数与waitpid函数用于处理和回收子进程内核区数据。

wait 函数回收子进程

wait函数与waitpid函数用于接收进程状态变化，默认阻塞进程等待任意子进程状态变化。
返回值：当任意进程状态变化，函数返回子进程PID，设置wstatus值表示该子进程状态变化编码（后述情况不设置wstatus）；当WNOHANG选项打开，并且存在未结束子进程，返回0（当WNOHANG选项关闭，并且存在未结束子进程，阻塞）；当所有子进程已回收，抛出No child process错误，返回-1；当出现其他错误，返回-1。
pid：分为下述情况：
- < -1：等待任意组ID为-pid（pid的绝对值）的子进程状态变化。
- -1：等待任意子进程状态变化。
- 0：等待任意组ID与函数启动时父进程的组ID相同的子进程状态变化。
- > 0：等待进程ID为pid的子进程状态变化。
- 如果对应进程符号ID要求但不是子进程（子孙进程不属于子进程）的，不属于控制范围。
wstatus：整型指针，用于接收状态变化编码，可为NULL表示不接收信息。解码宏如下：
- WIFEXITED(wstatus)：返回01整型。是否正常退出（exit为正常退出）。
- WEXITSTATUS(wstatus)：返回整型。如果上宏为真，返回退出状态（exit参数，0~255）。
- WIFSIGNALED(wstatus)：返回01整型。是否异常退出（信号退出为异常退出）。
- WTERMSIG(wstatus)：返回整型。如果上宏为真，返回引发退出的信号。
- WIFSTOPPED(wstatus)：返回01整型。是否进入暂停。
- WSTOPSIG(wstatus)：返回整型。如果上宏为真，返回引发暂停的信号。
- WIFCONTINUED(wstatus)：返回01整型。是否进程继续。
options：宏如下：（使用|连接）
- (默认)：等待进程正常退出、进程异常退出（以及被追踪进程暂停）。
- WNOHANG：不阻塞，立即返回。
- WUNTRACED：也会等待进程（未被追踪进程）被暂停。
- WCONTINUED：也会等待进程被继续。
wait(wstatus)等价于waitpid(-1, wstatus, 0)。
关于更多：$ man 2 wait。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
// wait for the change state
pid_t wait(int *wstatus);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

#include <stdio.h>
// print error message if return value is -1
perror("wait");

信号回收子进程

我们注意到wait函数回收子进程时，需要主动检测是否有子进程状态变化；如果我们希望即使处理子进程，必须阻塞的回收子进程，或者使用独立线程处理子进程。在2.3.4 信号章节中将提到，子进程状态变化时将触发SIGCHLD信号，届时可以考虑使用信号即时回收子进程。

// 请先了解 2.3.4 信号 章节后阅读此代码
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
void process_signal(int sig) {
    if (sig == SIGCHLD) {
        int ret = 1, wstatus;
        while (ret > 0) {
            waitpid(-1, &wstatus, WNOHANG);
            // 业务逻辑
        }
    }
}