Linux 進程

　　在用戶空間，進程是由進程標識符（PID）表示的。從用戶的角度來看，一個 PID 是一個數字值，可惟一標識一個進程。一個 PID 在進程的整個生命期間不會更改，但 PID 可以在進程銷毀后被重新使用，所以對它們進行緩存並不見得總是理想的。

進程表示

　　在 Linux 內核內，進程是由相當大的一個稱為 task_struct 的結構表示的。此結構包含所有表示此進程所必需的數據，此外，還包含了大量的其他數據用來統計（accounting）和維護與其他進程的關系（父和子）。

struct task_struct {

    volatile long state;
    void *stack;
    unsigned int flags;

    int prio, static_prio;

    struct list_head tasks;

    struct mm_struct *mm, *active_mm;

    pid_t pid;
    pid_t tgid;

    struct task_struct *real_parent;

    char comm[TASK_COMM_LEN];

    struct thread_struct thread;

    struct files_struct *files;

    ...

};

進程管理

　　在很多情況下，進程都是動態創建並由一個動態分配的 task_struct 表示。一個例外是init 進程本身，它總是存在並由一個靜態分配的 task_struct 表示。

　　在 Linux 內雖然進程都是動態分配的，但還是需要考慮最大進程數。在內核內最大進程數是由一個稱為max_threads 的符號表示的，它可以在 ./linux/kernel/fork.c 內找到。可以通過 /proc/sys/kernel/threads-max 的 proc 文件系統從用戶空間更改此值。

　　Linux進程分為兩種基本類型，分別為內核進程和用戶進程。內核進程通過內核中kernel_thread()函數創建的，用戶進程通過fork()和clone()創建。

進程的創建&內存的復制

　　創建一個子進程，就創建了一個新的子任務，並為它復制了父進程的內存。但是這兩個進程使用的內存是相互獨立的。在調用fork函數的時候，父進程當時的所有變量對子進程都是可見的，fork函數執行完成之后，父進程的變量對於子進程來說就隱藏了。

　　在創建一個新進程時，父進程使用的內存並不是真正的全部復制給子進程。它們都指向同一處內存空間，但是把內存頁面標記為copy-on-write。當任何一個進程試圖向這些內存中寫入內容時，就會產生一組新的內存頁面由這個進程私有。這樣，通過這種方法提高了創建新進程的效率，因為內存空間的復制推遲到了發生寫操作的時候。

進程相關API

　　Linux下進程模型提供了很多API函數，下面的這些函數可以完成基本的工作。

API函數	用途
fork	創建子進程
wait	將進程掛起，直到子進程退出
waitpid	將進程掛起，直到指定子進程退出
signal	注冊新的信號
pause	將進程掛起，直到捕捉到信號
kill	向某個指定的進程發出信號
raise	向當前進程發出信號
exec	將當前進程映像用一個新的進程映像來替換
exit	正常終止當前進程

函數詳解&具體應用

　　日常編程中，我們常用到多進程的方式，可以讓我們的程序同步執行多個任務。接下來，從函數原型依次介紹並用實例來分析。

進程的創建fork

　　API函數fork用於在一個已經存在的父進程中創建一個新的進程，子進程除了ID與父進程不同，其余都相同。

pid_t fork( void );
//pid_t是進程描述符
//返回值：>0, 當前進程就是父進程;==0,當前進程就是子進程;<0,失敗
//返回值<0時,有兩種錯誤,都是內存不足問題,分別為EAGAIN/ENOMEM

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

int main()
{
    pid_t pid;
    
    pid = fork();
    if(pid > 0)
        printf("Parent process pid: %d\n",getpid());
    else if(pid == 0)
        printf("Child process pid: %d\n",getpid());
    else
        printf("fork error!\n");
    
    return 0;
}

進程關閉exit

　　API函數exit終止調用進程，傳入exit的參數會返回給父進程。

　　子進程調用exit函數還會向父進程發出SIGCHLD信號，釋放當前進程的資源。

//關閉進程
void exit( int status );
//status用來保存狀態信息

信號signal

　　signal_handler函數允許用戶為進程注冊信號句柄。在信號被注冊后，就可以在需要的時候調用信號API函數。

　　PS: 在做一個WIN32控制台下的程序時候需要動態控制，我就利用SIGINT信號，在程序運行的過程中使用CTRL+C，調用中斷函數完成操作。

//信號句柄
void signal_handler( int signal_number );

//注冊信號
sighandler_t signal( int signum, sighandler_t handler );
//signum為信號類型
//handler為與信號相關聯的動作

//sighandler_t的類型定義：typedef void (*sighandler_t)(int)  *****指向函數的指針******

　　進程的信號句柄分為三種類型，分別為忽略類型、默認指定類型和用戶自定義句柄類型。

　　例子：

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

void catch_signal_ctrl_c(int sig_num)
{
    printf("catch signal ctrl+n");
    fflush(stdout);
}

int main()
{
    signal(SIGINT, catch_signal_ctrl_c);       //注冊信號SIGINT軟件中斷,通過輸入ctrl+c可以發出
    
    printf("run a pause");
    pause();                          //進程掛起，等待信號
    
    return 0;
}

進程掛起pause

　　函數pause會把進程掛起，直到接收到信號。在信號接收后，進程會從pause函數中退出，繼續運行。 

//掛起
int pause( void );

向當前進程發送信號raise

　　raise函數只可以向當前進程發出信號。

int raise( int sig_num );

　　例子：

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

void catch_signal_ctrl_c(int sig_num)
{
    printf("catch signal ctrl+n");
    fflush(stdout);
}

int main()
{
    signal(SIGINT, catch_signal_ctrl_c);       //注冊信號SIGINT軟件中斷,通過輸入ctrl+c可以發出
    
    raise(SIGINT);
    
    return 0;
}

向其他進程發送信號kill

　　kill函數可以向一個進程或一系列進程發送信號。

int kill( pid_t pid, int sig_num );

　　參數pid的不同會有不同的效果：

pid	說明
>0	發送信號到pid指定進程
0	發送信號到與本進程同組的所有進程
-1	發送信號到所有進程（init進程除外）
<0	發送信號到由pid絕對值指定的進程組中的所有進程

 

進程掛起wait&waitpid

　　wait函數與waitpid函數都是將進程掛起，直到某個進程退出或信號發生，避免僵屍進程的產生。

　　子進程退出，父進程沒有等待(調用wait / waitpid)它， 那么她將變成一個僵屍進程。 但是如果該進程的父進程已經先結束了，那么該進程就不會變成僵屍進程， 因為每個進程結束的時候，系統都會掃描當前系統中所運行的所有進程， 看有沒有哪個進程是剛剛結束的這個進程的子進程，如果是的話，就由Init 來接管它，成為它的父進程

　　wait只根據任何一個子進程退出狀態。

pid_t wait( int *status );
//返回退出子進程的pid值,如果為-1,發生錯誤
//status用來保存子進程退出的狀態信息

　　通過評估函數可以知道子進程退出的狀態信息。

宏	說明
WIFEXITED	如果子進程正常退出,則不為0
WEXITSTATUS	返回子進程的exit狀態
WIFSIGNALED	如果子進程因為信號退出,則為ture
WTERMSIG	返回引起子進程退出的信號號(僅在WIFSIGNALED為ture的時候)

　　例子：

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

int main()
{
    pid_t pid;
    int status;
    
    pid = fork();
    if(pid > 0){
        printf("Parent process, pid: %d\n", getpid());
        
        printf("父進程掛起！\n");        
        pid = wait(&status);
        
        printf("父進程恢復\n");
        
    }else if(pid == 0){
        
        printf("Child process, pid: %d\n", getpid());
        printf("子進程退出\n");
        exit(status);
        
    }else{
        printf("fork error\n");
    }
    
    return 0;
}

　　waitpid是掛起父進程直到某個指定的子進程退出。

pid_t waitpid( pid_t pid, int *status, int options);
//pid用來指定進程
//status保存退出進程狀態
//options有兩種選擇,WNOHANG/WUNTRACED

/*
WNOHANG:設定在子進程未退出時也不掛起調用進程,但僅在子進程退出時返回
WUNTRACED:返回已經停止而且自停止之后還未報告狀態的子進程
*/

　　pid的取值：

pid	說明
>0	掛起直到由pid指定的子進程退出
0	掛起直到任何一個與調用進程的組ID相同的子進程退出
-1	掛起直到任何子進程退出,與wait相同
<-1	掛起直到任何一個其組ID與pid參數的絕對值相同的子進程退出

　　waitpid增加兩個宏：

　　　　WIFSTOPPED: 如果子進程現在已經停止，返回true

　　　　WSTOPSIG:　 返回使子進程停止的信號（WIFSTOPPED為true）　

發送警告信號alarm

　　alarm函數在其他函數超時的時候會發送一個SIGALRM信號。

unsigned it alarm( unsigned int secs );
//secs為時間,單位為秒
//如果在超時，未接收到警告信號，返回0，否則，返回等待警告信號的時間

 　　例子：

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

void wakeup(int sig_num)
{
    print("timeout quit");
    raise(SIGINT);//產生中斷信號
}

int main()
{
    int ret;
    char buffer[1024];
    
    signal(SIGALRM, wakeup);
    
    printf("timeout in 3 seconds, please enter your password\n");
    alarm(3);
    
    ret = read(0, buffer, 1023);
    if(ret >= 0){
        buffer[strlen(buffer)-1]='\0';
        printf("password : %s", buffer);
    }
    
    return 0;
}

替換當前進程exec

　　exec函數用於完全替換當前進程映像。實際上，就是用一個新的程序來替換當前的進程。值得注意的是，如果替換了，就不可能恢復，是完全的替換。

int execl( const char *path, const char *arg, ... )
//path確定要運行的程序
//其他都為參數

/*
例子：
   execl( "/bin/ls", "ls", "-la", NULL  );
   //用ls命令程序來替換當前進程  
*/

　　例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>


int main()
{
    int status;
    char cmd[100];
    char* ret;
    pid_t pid;
    
    while(1){
        printf("mysh>>");
        ret = fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin);
        if(ret == NULL)
            exit(-1);
        cmd[strlen(cmd)-1]='\0';
        
        if(!strncmp(cmd, "quit", 4))
            exit(0);
            
        pid = fork();
        if(pid == 0){
            execlp(cmd, cmd, NULL);
        }else if(pid >0){
            waitpid(pid, &status, 0);
        }
        printf("\n");
    }
}

參考

GNU/LINUX環境編程

http://www.cnblogs.com/avril/archive/2010/03/22/1691793.html

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-process-management/

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