Linux 入門八：Linux 多進程

一、概述

1.1 什么是進程？

在 Linux 系統中，進程是程序的一次動態執行過程。程序是靜態的可執行文件，而進程是程序運行時的實例，系統會為其分配內存、CPU 時間片等資源。例如，輸入 ls 命令時，系統創建進程執行 ls 程序來顯示文件列表。進程是資源分配的基本單位，理解進程對掌握 Linux 系統運行機制至關重要。

1.2 查看進程

在 Linux 中，可使用 ps 命令查看系統中當前運行的進程。下面是一些常用的 ps 命令參數組合：

  • ps -ef：
    • 功能：以全格式顯示所有進程的詳細信息。
    • 步驟：
      1. 打開終端。
      1. 輸入 ps -ef 并回車。
    • 示例輸出：
 

UID PID PPID C STIME TTY TIME CMDroot 1 0 0 00:00 ? 00:00:01 /sbin/init splashroot 2 0 0 00:00 ? 00:00:00 [kthreadd]
 

 

  • 參數解釋：
 

  •  
    • UID：進程所有者的用戶 ID。
     
 

  •  
    • PID：進程的 ID 號。
     
 

  •  
    • PPID：父進程的 ID 號。
     
 

  •  
    • C：CPU 占用率。
     
 

  •  
    • STIME：進程啟動時間。
     
 

  •  
    • TTY：進程關聯的終端。
     
 

  •  
    • TIME：進程使用的 CPU 時間。
     
 

  •  
    • CMD：啟動進程的命令。
     
 

在 Linux 中，除了 ps -ef，還可使用以下命令查看進程：?
 

  • ps aux：?
 

  • 功能：顯示所有進程的詳細資源使用情況（如內存、CPU 占用率）。?
 

  • 示例輸出：?
 

TypeScript取消自動換行復制USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND ?root 1 0.0 0.1 24176 4360 ? Ss 00:00 0:01 /sbin/init splash ?
 

 

  • %CPU：CPU 占用百分比。?
 

  • %MEM：內存占用百分比。?
 

  • STAT：進程狀態（如 S 表示睡眠，R 表示運行）。?
 

  • top 命令：?
 

  • 功能：動態實時顯示進程資源占用情況，類似 Windows 任務管理器。?
 

  • 操作：輸入 top 后，可按 q 退出。
 

二、進程的創建
 

2.1 fork 函數
 

在 C 語言里，fork 函數是創建新進程的關鍵函數。它的作用是復制當前進程，生成一個子進程，原進程則成為父進程。fork 函數的原型如下：
 

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

  • 返回值：
 

  •  
    • 在父進程中，fork 函數返回子進程的 PID（一個正整數）。
     
 

  •  
    • 在子進程中，fork 函數返回 0。
     
 

  •  
    • 若 fork 失敗，返回 -1。
     
 

創建進程的步驟
 

  1. 包含必要的頭文件：#include <unistd.h> 和 #include <stdio.h>。
 

  1. 調用 fork 函數創建子進程。
 

  1. 根據 fork 的返回值判斷當前是父進程還是子進程，并執行相應的代碼。
 

示例代碼
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");} else if (pid == 0) {// 子進程printf("我是子進程，我的 PID 是 %d，父進程的 PID 是 %d\n", getpid(), getppid());} else {// 父進程printf("我是父進程，我的 PID 是 %d，子進程的 PID 是 %d\n", getpid(), pid);}return 0;}
 

編譯和運行步驟
 

  1. 把上述代碼保存為 fork_example.c。
 

  1. 打開終端，進入代碼所在目錄。
 

  1. 使用 gcc 編譯代碼：gcc fork_example.c -o fork_example。
 

  1. 運行編譯后的可執行文件：./fork_example。
 

 

三、僵尸進程
 

3.1 形成條件
 

僵尸進程的形成需要滿足以下三個條件：
 

  1. 子進程優先于父進程結束。
 

  1. 父進程不結束。
 

  1. 父進程不調用 wait 函數。
 

當子進程結束時，它會向父進程發送一個 SIGCHLD 信號，但如果父進程沒有調用 wait 或 waitpid 函數來回收子進程的資源，子進程就會變成僵尸進程。
 

3.2 如何避免僵尸進程
 

方法一：父進程調用 wait 函數
 

wait 函數的作用是等待任意一個子進程結束，并回收其資源。其原型如下：
 

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>pid_t wait(int *status);
 

  • 參數：status 用于存儲子進程的退出狀態。
 

  • 返回值：返回結束的子進程的 PID。
 

示例代碼
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");} else if (pid == 0) {// 子進程printf("子進程開始執行，PID 是 %d\n", getpid());sleep(2);printf("子進程結束\n");} else {// 父進程int status;pid_t child_pid = wait(&status);printf("父進程回收了 PID 為 %d 的子進程\n", child_pid);}return 0;}
 

方法二：使用 signal 函數處理 SIGCHLD 信號
 

可通過 signal 函數捕獲 SIGCHLD 信號，并在信號處理函數中調用 wait 或 waitpid 函數。
 

示例代碼
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <signal.h>void sigchld_handler(int signo) {pid_t pid;int status;while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {printf("回收了 PID 為 %d 的子進程\n", pid);}}int main() {signal(SIGCHLD, sigchld_handler);pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");} else if (pid == 0) {// 子進程printf("子進程開始執行，PID 是 %d\n", getpid());sleep(2);printf("子進程結束\n");} else {// 父進程printf("父進程繼續執行\n");sleep(5);}return 0;}
 

四、孤兒進程
 

4.1 形成條件
 

孤兒進程的形成需要滿足以下兩個條件：
 

  1. 父進程優先于子進程結束。
 

  1. 子進程未結束。
 

當父進程結束后，子進程就會變成孤兒進程，此時它會被進程 ID 為 1 的 init 進程接管。
 

4.2 被進程 ID 為 1 的進程接管
 

init 進程會負責回收孤兒進程的資源，確保系統資源不會被浪費。
 

示例代碼
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");} else if (pid == 0) {// 子進程printf("子進程開始執行，父進程 PID 是 %d\n", getppid());sleep(5);printf("子進程繼續執行，父進程 PID 是 %d\n", getppid());} else {// 父進程printf("父進程結束\n");}return 0;}
 

在這個示例中，父進程會先結束，子進程在睡眠 5 秒后，會發現自己的父進程 ID 變成了 1。
 

五、守護進程（后臺進程）
 

5.1 實現過程
 

守護進程是一種在后臺持續運行的進程，通常在系統啟動時就開始運行，并且不受用戶登錄和注銷的影響。以下是創建守護進程的詳細步驟：
 

步驟 1：創建子進程，父進程退出
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid > 0) {// 父進程退出exit(EXIT_SUCCESS);}// 子進程繼續執行// 后續步驟...return 0;}
 

步驟 2：在子進程中創建新會話
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid > 0) {// 父進程退出exit(EXIT_SUCCESS);}// 子進程創建新會話pid_t sid = setsid();if (sid < 0) {perror("setsid 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 后續步驟...return 0;}
 

setsid 函數的作用是創建一個新的會話，使子進程成為新會話的首進程，并且脫離原有的控制終端。
 

步驟 3：改變工作目錄
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid > 0) {// 父進程退出exit(EXIT_SUCCESS);}// 子進程創建新會話pid_t sid = setsid();if (sid < 0) {perror("setsid 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 改變工作目錄if (chdir("/") < 0) {perror("chdir 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 后續步驟...return 0;}
 

chdir 函數用于將工作目錄切換到根目錄，避免工作目錄被卸載導致進程無法正常工作。
 

步驟 4：設置文件權限掩碼
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid > 0) {// 父進程退出exit(EXIT_SUCCESS);}// 子進程創建新會話pid_t sid = setsid();if (sid < 0) {perror("setsid 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 改變工作目錄if (chdir("/") < 0) {perror("chdir 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 設置文件權限掩碼umask(0);// 后續步驟...return 0;}
 

umask 函數用于設置文件權限掩碼，確保守護進程創建的文件具有預期的權限。
 

步驟 5：關閉不需要的文件描述符
 

#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid > 0) {// 父進程退出exit(EXIT_SUCCESS);}// 子進程創建新會話pid_t sid = setsid();if (sid < 0) {perror("setsid 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 改變工作目錄if (chdir("/") < 0) {perror("chdir 失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 設置文件權限掩碼umask(0);// 關閉不需要的文件描述符close(STDIN_FILENO);close(STDOUT_FILENO);close(STDERR_FILENO);// 守護進程的主循環while (1) {// 執行守護進程的任務sleep(1);}return 0;}
 

關閉標準輸入、標準輸出和標準錯誤輸出的文件描述符，防止守護進程與控制終端交互。
 

編譯和運行步驟
 

  1. 把上述代碼保存為 daemon_example.c。
 

  1. 打開終端，進入代碼所在目錄。
 

  1. 使用 gcc 編譯代碼：gcc daemon_example.c -o daemon_example。
 

  1. 運行編譯后的可執行文件：./daemon_example。此時，守護進程會在后臺持續運行。
 

通過以上步驟，你可以逐步掌握 Linux 多進程的相關知識，包括進程的創建、僵尸進程和孤兒進程的處理，以及守護進程的實現。在實際應用中，多進程編程可以提高程序的并發性能，充分利用多核 CPU 的資源。











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