Linux編程：2、進程基礎知識

一、進程基本概念

1、進程與程序的區別

程序：靜態的可執行文件（如電腦中的vs2022安裝程序）。
進程：程序的動態執行過程（如啟動后的vs2022實例），是操作系統分配資源的單位（如 CPU 時間、內存）。
特點：同一程序可啟動多個進程（如多個 vs2022?窗口），進程關閉后程序仍存在。

2、進程的組成

進程控制塊（PCB）：操作系統為每個進程創建的唯一標識，包含進程狀態、資源信息等。
程序段（代碼）：進程執行的代碼邏輯。
數據集（數據）：進程操作的數據。

二、進程控制塊（PCB）

1、核心字段

進程號（PID）：32 位無符號整數（Linux 最大為 32767），通過getpid()獲取當前進程號。
進程狀態：
- R：可執行狀態。
- S：可中斷睡眠。
- D：不可中斷睡眠。
- T：暫停或跟蹤狀態。
- Z：僵尸進程（已退出但未釋放資源）。
- X：即將銷毀的進程。
查看命令：ps -eo stat,pid,user,cmd（顯示狀態、PID、用戶、命令）。

2、其他字段

優先級：決定 CPU 調度順序。
CPU 現場信息：保存進程暫停時的 CPU 狀態，以便恢復。
資源清單：內存、I/O 設備等分配情況。
隊列指針：鏈接同一狀態的進程（如就緒隊列、等待隊列）。

三、進程 PID 文件

1、存儲位置：

位于/var/run目錄，文件名通常為進程名.pid，內容為單行的進程號。
注意：需程序自行創建，系統不會自動生成。

2、作用：

防止程序重復啟動（通過文件鎖機制實現）。

示例代碼：通過fcntl加鎖判斷進程是否已運行。

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>// PID文件路徑，用于存儲當前運行實例的進程ID
#define PID_FILE "/var/run/test.pid"/*** 檢查程序是否已在運行，確保只有一個實例** 返回值：*   0 - 程序未運行，當前是第一個實例*  -1 - 程序已在運行，當前實例退出*/
int checkAlone(void)
{int  fd;       // 文件描述符char buf[16];  // 存儲PID的緩沖區// 打開或創建PID文件，使用O_CREAT標志確保文件存在fd = open(PID_FILE, O_RDWR | O_CREAT, 0666);if (fd < 0) {perror("open pid failed");  // 打印錯誤信息exit(1);                    // 打開失敗時終止程序}// 定義文件鎖結構，準備加寫鎖struct flock fl;fl.l_type   = F_WRLCK;   // 寫鎖類型fl.l_start  = 0;         // 從文件開始位置fl.l_whence = SEEK_SET;  // 以文件起始為基準fl.l_len    = 0;         // 鎖定整個文件// 嘗試加非阻塞寫鎖// 返回值：0-成功，-1-失敗（文件已被鎖定）int ret = fcntl(fd, F_SETLK, &fl);if (ret < 0) {close(fd);             // 關閉文件描述符printf("Had run.\n");  // 提示已有實例在運行return -1;             // 返回錯誤碼}// 將當前進程ID寫入PID文件sprintf(buf, "%ld", (long)getpid());write(fd, buf, strlen(buf) + 1);printf("first running.\n");  // 提示首次運行return 0;                    // 返回成功
}int main(void)
{// 檢查程序是否已在運行if (checkAlone() < 0) {return -1;  // 已有實例在運行，退出當前進程}// 主程序邏輯：循環執行任務while (1) {printf("working...\n");   // 輸出工作狀態sleep(1);                // 休眠1秒}return 0;
}

?3、開啟兩個終端：

第一次運行程序（第一個終端）：

第二次運行程序（第二個終端）：

四、進程的創建

1、fork () 函數

功能：創建子進程，返回兩次（父進程返回子進程 PID，子進程返回 0）。
特點：子進程復制父進程的內存空間（不共享內存），繼承打開的文件描述符等資源。

示例1：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{int count = 0;  // 用于父子進程各自計數的變量printf("準備創建子進程...\n");// 創建子進程：fork調用會返回兩次// 父進程返回子進程的PID(正值)// 子進程返回0// 返回負值表示創建失敗pid_t pid = fork();// 錯誤處理：創建子進程失敗if (pid < 0) {printf("創建子進程失敗");exit(1);  // 終止程序并返回錯誤碼1}// 子進程執行分支else if (pid == 0) {// 子進程中fork返回0// getpid()返回子進程自身的PIDprintf("我是子進程，pid=%d, 進程號=%d\n", pid, getpid());count++;  // 子進程的count加1}// 父進程執行分支else {// 父進程中fork返回子進程的PID// getpid()返回父進程自身的PIDprintf("我是父進程, pid=%d, 進程號=%d\n", pid, getpid());count++;  // 父進程的count加1}// 父子進程都會執行此語句// 通過判斷pid值區分當前是哪個進程printf("我是%s, count=%d\n", pid == 0 ? "子進程" : "父進程", count);return 0;
}

說明1：
由 fork 創建的新進程被稱為子進程，原來的進程，稱為“父進程”

該函數被調用一次，但返回兩次（在父進程中返回 1 次，子進程中返回 1 次）
1）子進程的返回值是 0
2）而父進程的返回值是子進程的 PID

fork 執行完之后，子進程和父進程繼續執行 fork 之后的指令。
父進程和子進程幾乎是等同的，它們具有相同的變量值(但變量內存并不共享),
打開的文件也都相同，還有其他一些相同屬性。
如果父進程改變了變量的值，子進程將不會看到這個變化。
實際上，子進程是父進程的一個復制（拷貝），但它們并不共享內存。
父進程改變了變量的值，子進程中對應的變量不會有任何影響。

示例2：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{int count = 0;  // 父子進程各自的計數器printf("準備創建子進程...\n");pid_t pid;// 循環兩次創建子進程，每次fork會產生父子兩個分支for (int i = 0; i < 2; i++) {pid = fork();  // 關鍵系統調用：創建新進程if (pid < 0) {perror("fork失敗");  // 輸出系統錯誤信息exit(1);             // 異常退出}else if (pid == 0) {// 子進程分支：pid為0，getpid()返回子進程IDprintf("[新的子進程]我是子進程，pid=%d, 進程號=%d\n", pid,getpid());count++;  // 子進程計數器加1}else {// 父進程分支：pid為子進程ID，getpid()返回父進程IDprintf("我是父進程, pid=%d, 進程號=%d\n", pid, getpid());count++;  // 父進程計數器加1}}// 父子進程最終都會執行此語句// 通過最后一次fork的返回值判斷當前是父進程還是子進程printf("我是%s, count=%d\n", pid == 0 ? "子進程" : "父進程", count);return 0;
}

for 循環了 2 次，實際上創建了 3 個子進程，而不是兩個。

2、exec 系列函數

功能：用指定程序替換當前進程（成功后原進程代碼不再執行）。
接口差異：
- l：參數以列表形式傳遞（如execl）。
- p：從 PATH 環境變量查找程序（如execlp）。
- v：參數通過指針數組傳遞（如execv）。
- e：傳遞自定義環境變量（如execle）。

示例：
無參的：
?

#include <cstdio>
#include <unistd.h>int main(int argc, char* argv[])
{// 使用execl函數執行外部程序，替換當前進程映像// 參數1: 要執行的程序路徑// 參數2開始: 傳遞給程序的命令行參數，必須以NULL結尾execl("/bin/pwd",         // 指定要執行的程序路徑(絕對路徑)"pwd",              // 命令行參數列表的第一個參數，通常是程序名(可自定義)NULL);              // 參數列表結束標記，必須為NULL// 如果execl調用成功，當前進程會被完全替換，不會執行到這里// 如果執行到這里，說明execl調用失敗perror("execl failed");  // 打印系統錯誤信息return 1;                // 返回錯誤退出碼
}

帶參的：

#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{// 相當于執行： ls -l /tmpexecl("/bin/ls", "ls", "-l", "/tmp", NULL);return 0;
}

3、fork 與 exec 結合

場景：父進程創建子進程后，子進程執行新程序（如 Shell 命令解析）。

示例邏輯：

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) { execv("/path/to/program", argv); } // 子進程執行新程序

五、進程的分類

1、前臺進程

定義：需與用戶交互的進程（如終端運行的程序），默認啟動即為前臺。
查看命令：ps -e | grep 進程名。

2、后臺進程

定義：無需交互，在后臺運行（如服務器程序）。
啟動方式：命令后加&（如./a.out &）。
終止命令：killall 進程名。

3、守護進程

定義：特殊后臺進程，獨立于終端（如sshd、httpd），用于長期運行任務。
特點：
- 不依附終端，終端關閉后仍運行。
- 父進程通常為systemd（PID 1）。
創建步驟：
1. fork后退出父進程，子進程成為孤兒進程。
2. setsid創建新會話，脫離原終端。
3. chdir("/")切換工作目錄至根目錄。
4. umask(0)清除文件權限掩碼。
5. 關閉默認文件描述符（0、1、2）。
示例代碼：通過信號處理實現日志寫入的守護進程。
查看命令：ps axj（顯示 PPID、會話信息等）。