關於C語言進程操作

Linux標准庫 <unistd.h>

符號常量

NULL		// Null pointer
SEEK_CUR	// Set file offset to current plus offset.
SEEK_END	// Set file offset to EOF plus offset.
SEEK_SET	// Set file offset to offset.

是POSIX標准定義的unix類系統定義符號常量的頭文件，包含了許多UNIX系統服務的函數原型，例如read函數、write函數和getpid函數。

unistd.h在unix中類似於window中的windows.h。

#ifdef WIN32
#include <windows.h>
#else
#include <unistd.h>
#endif

函數原型

ssize_t      read(int, void *, size_t);
int          unlink(const char *);
ssize_t      write(int, const void *, size_t);
int          usleep(useconds_t);
unsigned     sleep(unsigned);
int          access(const char *, int);
unsigned     alarm(unsigned);
int          chdir(const char *);
int          chown(const char *, uid_t, gid_t);
int          close(int);
size_t       confstr(int, char *, size_t);
void        _exit(int);
pid_t        fork(void);

關於管道pipe

管道的概念

管道是一種最基本的IPC機制，作用於有血緣關系的進程之間，完成數據傳遞。調用pipe系統函數即可創建一個管道。有如下特質：

1. 其本質是一個偽文件(實為內核緩沖區)
2. 由兩個文件描述符引用，一個表示讀端，一個表示寫端。
3. 規定數據從管道的寫端流入管道，從讀端流出。

管道的原理

管道實為內核使用環形隊列機制，借助內核緩沖區(4k)實現。

管道的局限性

1. 數據自己讀不能自己寫。
2. 數據一旦被讀走，便不在管道中存在，不可反復讀取。
3. 由於管道采用半雙工通信方式。因此，數據只能在一個方向上流動。
4. 只能在有公共祖先的進程間使用管道。

常見的通信方式有，單工通信、半雙工通信、全雙工通信。

pipe 函數

創建管道

int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失敗：-1，設置errno

函數調用成功返回r/w兩個文件描述符。無需open，但需手動close。規定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0對應標准輸入，1對應標准輸出一樣。向管道文件讀寫數據其實是在讀寫內核緩沖區。

管道創建成功以后，創建該管道的進程（父進程）同時掌握着管道的讀端和寫端。如何實現父子進程間通信呢？通常可以采用如下步驟：

1. 父進程調用pipe函數創建管道，得到兩個文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的讀端和寫端。
2. 父進程調用fork創建子進程，那么子進程也有兩個文件描述符指向同一管道。
3. 父進程關閉管道讀端，子進程關閉管道寫端。父進程可以向管道中寫入數據，子進程將管道中的數據讀出。由於管道是利用環形隊列實現的，數據從寫端流入管道，從讀端流出，這樣就實現了進程間通信。

管道的讀寫行為

​ 使用管道需要注意以下4種特殊情況（假設都是阻塞I/O操作，沒有設置O_NONBLOCK標志）：

1. 如果所有指向管道寫端的文件描述符都關閉了（管道寫端引用計數為0），而仍然有進程從管道的讀端讀數據，那么管道中剩余的數據都被讀取后，再次read會返回0，就像讀到文件末尾一樣。
2. 如果有指向管道寫端的文件描述符沒關閉（管道寫端引用計數大於0），而持有管道寫端的進程也沒有向管道中寫數據，這時有進程從管道讀端讀數據，那么管道中剩余的數據都被讀取后，再次read會阻塞，直到管道中有數據可讀了才讀取數據並返回。
3. 如果所有指向管道讀端的文件描述符都關閉了（管道讀端引用計數為0），這時有進程向管道的寫端write，那么該進程會收到信號SIGPIPE，通常會導致進程異常終止。當然也可以對SIGPIPE信號實施捕捉，不終止進程。具體方法信號章節詳細介紹。
4. 如果有指向管道讀端的文件描述符沒關閉（管道讀端引用計數大於0），而持有管道讀端的進程也沒有從管道中讀數據，這時有進程向管道寫端寫數據，那么在管道被寫滿時再次write會阻塞，直到管道中有空位置了才寫入數據並返回。

總結

1. 讀管道：

   1. 管道中有數據，read返回實際讀到的字節數。

   2. 管道中無數據：

      1. 管道寫端被全部關閉，read返回0 (好像讀到文件結尾)
      2. 寫端沒有全部被關閉，read阻塞等待(不久的將來可能有數據遞達，此時會讓出cpu)

2. 寫管道：

   1. 端全部被關閉， 進程異常終止(也可使用捕捉SIGPIPE信號，使進程不終止)
   2. 管道讀端沒有全部關閉：
      1. 管道已滿，write阻塞。
      2. 管道未滿，write將數據寫入，並返回實際寫入的字節數。

當管道進行寫入操作的時候，如果寫入的數據小於128K則是非原子的，如果大於128K字節，緩沖區的數據將被連續地寫入管道，直到全部數據寫完為止，如果沒有進程讀取數據，則將一直阻塞。

命名管道FIFO

管道最大的劣勢就是沒有名字，只能用於有一個共同祖先進程的各個進程之間。FIFO代表先進先出，單它是一個單向數據流，也就是半雙工，和管道不同的是：每個FIFO都有一個路徑與之關聯，從而允許無親緣關系的進程訪問。

關於 stdin、stdout 和 STDOUT_FILENO、STDIN_FILENO

在UNIX系統調用中,標准輸入描述字用stdin,標准輸出用stdout,標准出錯用stderr表示,但在一些調用函數,引用了STDIN_FILENO表示標准輸入才,同樣,標准出入用STDOUT_FILENO,標准出錯用STDERR_FILENO。

stdin等是FILE *類型，屬於標准I/O，在<stdio.h>。

STDIN_FILENO等是文件描述符，是非負整數，一般定義為0, 1, 2，屬於沒有buffer的I/O，直接調用系統調用，在<unistd.h>。

關於 perror

perror(s)用來將上一個函數發生錯誤的原因輸出到標准設備(stderr)。參數s所指的字符串會先打印出，后面再加上錯誤原因字符串。此錯誤原因依照全局變量errno的值來決定要輸出的字符串。

在庫函數中有個errno變量，每個errno值對應着以字符串表示的錯誤類型。當你調用"某些"函數出錯時，該函數已經重新設置了errno的值。perror函數只是將你輸入的一些信息和errno所對應的錯誤一起輸出。

關於 lockf

lockf()函數允許將文件區域用作信號量（監視鎖），或用於控制對鎖定進程的訪問（強制模式記錄鎖定）。試圖訪問已鎖定資源的其他進程將返回錯誤或進入休眠狀態，直到資源解除鎖定為止。當關閉文件時，將釋放進程的所有鎖定，即使進程仍然有打開的文件。當進程終止時，將釋放進程保留的所有鎖定。

int lockf(int fd, int cmd, off_t len);

• fd是打開文件的文件描述符
• cmd是指定要采取的操作的控制值，允許的值在中定義
  • F_ULOCK 0 //解鎖
  • F_LOCK 1 //互斥鎖定區域
  • F_TLOCK 2 //測試互斥鎖定區域
  • F_TEST 3 //測試區域

F_ULOCK請求可以完全或部分釋放由進程控制的一個或多個鎖定區域。如果區域未完全釋放，剩余的區域仍將被進程鎖定。如果該表已滿，將會返回[EDEADLK]錯誤，並且不會釋放請求的區域。

使用F_LOCK或F_TLOCK鎖定的區域可以完全或部分包含同一個進程以前鎖定的區域，或被同一個進程以前鎖定的區域包含。此時，這些區域將會合並為一個區域。如果請求要求將新元素添加到活動鎖定表中，但該表已滿，則會返回一個錯誤，並且不會鎖定新區域。

F_LOCK和F_TLOCK請求僅在采取的操作上有所差異（如果資源不可用）。如果區域已被其他進程鎖定，F_LOCK 將使調用進程進入休眠狀態，直到該資源可用，而F_TLOCK則會返回[EACCES]錯誤。

F_TEST用於檢測在指定的區域中是否存在其他進程的鎖定。如果該區域被鎖定，lockf()將返回 -1，否則返回0；在這種情況下，errno設置為[EACCES]。F_LOCK和F_TLOCK都用於鎖定文件的某個區域（如果該區域可用）。F_ULOCK用於刪除文件區域的鎖定。

• len是要鎖定或解鎖的連續字節數

要鎖定的資源從文件中當前偏移量開始

對於正len將向前擴展

對於負len則向后擴展（直到但不包括當前偏移量的前面的字節數）。

如果len為零，則鎖定從當前偏移量到文件結尾的區域（即從當前偏移量到現有或任何將來的文件結束標志）。

要鎖定一個區域，不需要將該區域分配到文件中，因為這樣的鎖定可以在文件結束標志之后存在。

返回值

此函數調用成功后，將返回值0，否則返回−1，並且設置errno以表示該錯誤。 由於當文件的某部分被其他進程鎖定后，變量errno將會設置為[EAGAIN]而不是[EACCES]，因此可移植應用程序應對這兩個值進行預計和測試。

關於 wait

編程過程中，有時需要讓一個進程等待另一個進程，最常見的是父進程等待自己的子進程，或者父進程回收自己的子進程資源包括僵屍進程。這里簡單介紹一下系統調用函數：wait()

函數原型

#include <sys/types.h>

#include <wait.h>

int wait(int *status);

函數功能

父進程一旦調用了wait就立即阻塞自己，由wait自動分析是否當前進程的某個子進程已經退出，如果讓它找到了這樣一個已經變成僵屍的子進程，wait就會收集這個子進程的信息，並把它徹底銷毀后返回；如果沒有找到這樣一個子進程，wait就會一直阻塞在這里，直到有一個出現為止。

當父進程忘了用wait()函數等待已終止的子進程時,子進程就會進入一種無父進程的狀態,此時子進程就是僵屍進程。

wait()要與fork()配套出現,如果在使用fork()之前調用wait(),wait()的返回值則為-1,正常情況下wait()的返回值為子進程的PID。

如果先終止父進程,子進程將繼續正常進行，只是它將由init進程(PID 1)繼承,當子進程終止時,init進程捕獲這個狀態。

參數status用來保存被收集進程退出時的一些狀態，它是一個指向int類型的指針。但如果我們對這個子進程是如何死掉毫不在意，只想把這個僵屍進程消滅掉，（事實上絕大多數情況下，我們都會這樣想），我們就可以設定這個參數為NULL，就像下面這樣：

pid = wait(NULL);

如果成功，wait會返回被收集的子進程的進程ID，如果調用進程沒有子進程，調用就會失敗，此時wait返回-1，同時errno被置為ECHILD。

如果參數status的值不是NULL，wait就會把子進程退出時的狀態取出並存入其中， 這是一個整數值（int），指出了子進程是正常退出還是被非正常結束的，以及正常結束時的返回值，或被哪一個信號結束的等信息。由於這些信息 被存放在一個整數的不同二進制位中，所以用常規的方法讀取會非常麻煩，人們就設計了一套專門的宏（macro）來完成這項工作，下面我們來學習一下其中最常用的兩個：

1. WIFEXITED(status)這個宏用來指出子進程是否為正常退出的，如果是，它會返回一個非零值。

請注意，雖然名字一樣，這里的參數status並不同於wait唯一的參數–指向整數的指針status，而是那個指針所指向的整數，切記不要搞混了。

2. WEXITSTATUS(status)當WIFEXITED返回非零值時，我們可以用這個宏來提取子進程的返回值，如果子進程調用exit(5)退出，WEXITSTATUS(status)就會返回5；如果子進程調用exit(7)，WEXITSTATUS(status)就會返回7。請注意，如果進程不是正常退出的，也就是說，WIFEXITED返回0，這個值就毫無意義。

關於僵屍進程

僵屍進程是當子進程比父進程先結束，而父進程又沒有回收子進程，釋放子進程占用的資源，此時子進程將成為一個僵屍進程。如果父進程先退出 ，子進程被init接管，子進程退出后init會回收其占用的相關資源。

在UNIX 系統中，一個進程結束了，但是他的父進程沒有等待(調用wait / waitpid)他， 那么他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來接管他，成為他的父進程。

一個進程在調用exit命令結束自己的生命的時候，其實它並沒有真正的被銷毀， 而是留下一個稱為僵屍進程（Zombie）的數據結構（系統調用exit，它的作用是使進程退出，但也僅僅限於將一個正常的進程變成一個僵屍進程，並不能將其完全銷毀）。

關於 signal.h

signal.h頭文件定義了一個變量類型sig_atomic_t、兩個函數調用和一些宏來處理程序執行期間報告的不同信號。

庫變量

• sig_atomic_t

這是int類型，在信號處理程序中作為變量使用。它是一個對象的整數類型，該對象可以作為一個原子實體訪問，即使存在異步信號時，該對象可以作為一個原子實體訪問。

庫宏

以下宏與signal函數一起使用來定義信號的功能。

• SIG_DFL
  默認的信號處理程序。
• SIG_ERR
  表示一個信號錯誤。
• SIG_IGN
  忽視信號。

以下宏用於表示以下各種條件的信號碼。

• SIGABRT
  程序異常終止。
• SIGFPE
  算術運算出錯，如除數為 0 或溢出。
• SIGILL
  非法函數映象，如非法指令。
• SIGINT
  中斷信號，如 ctrl-C。
• SIGSEGV
  非法訪問存儲器，如訪問不存在的內存單元。
• SIGTERM
  發送給本程序的終止請求信號。

庫函數

void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int)

該函數設置一個函數來處理信號，即信號處理程序。

參數

• sig
  在信號處理程序中作為變量使用的信號碼
• func
  一個指向函數的指針，它可以是一個由程序定義的函數。

int raise(int sig)

該函數會促使生成信號sig。sig參數與SIG宏兼容。

參數

• sig
  要發送的信號碼。

返回值

如果成功該函數返回零，否則返回非零。