30天速通Linux 第五章Linux 进程管理

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一. 进程基础

1.1 进程基本概念

1. 程序 vs 进程：

• 程序是静态的指令集合，不占用系统运行资源。
• 进程是程序在系统中的一次动态执行过程，占用系统资源（CPU、内存、文件等），一个程序运行多次会产生多个进程。

2. Linux 进程的三种类型：

• 交互进程：由 Shell 启动，可在前台（可与用户交互）或后台（加 & 运行）运行。
• 批处理进程：与终端无直接联系，是一个按指定方式执行的进程序列。
• 守护进程：Linux 启动时运行的后台服务，屏幕不显示任何信息，在后台默默为用户服务（如各类网络服务）。

3. 执行模式与 Shell：

• 进程在用户模式（用户空间）下运行，当发生系统调用或中断时切换为内核模式（核心程序运行，具有特权指令，不受用户干预）。
• 用户登录后打开的终端会建立一个 Shell 进程，接收用户命令并创建子进程执行；进程结束后，返回当前 Shell 继续接收新命令。

1.2 进程创建和命令执行

1. fork() 系统调用 —— 创建子进程

• 头文件：#include <unistd.h>
• 函数原型：pid_t result = fork(void);
• 核心机制（返回两次）：
  • 父进程：返回新创建子进程的 PID（>0）。
  • 子进程：返回 0。
  • 出错：返回 -1。
• 内核完成的工作：
  ① 为子进程分配新内存块和内核数据结构；
  ② 复制父进程信息（代码段、数据段等），二者拥有相同可执行代码；
  ③ 将新进程加入运行进程集合；
  ④ 执行完毕，控制权返回给两个进程，由调度器决定执行顺序。
• 关键特性（数据独立性）：fork 之后，父子进程的全局变量和局部变量虽然名称和初始值相同，但它们在物理内存中是相互独立的，互不影响。
  • 示例分析：父进程执行 glob++（变为11），子进程执行 local--（变为7），两者输出互不干扰。

2. exec 系列调用 —— 执行新程序

• 当父进程希望子进程执行特定任务时，会使用 exec 家族函数，用新程序的指令代码替换子进程原有的代码段、数据段和堆栈（相当于给子进程“换脑”）。
• 函数分类：
  • execl / execv：要求提供可执行文件的绝对或相对路径。
  • execlp / execvp：使用 PATH 环境变量查找可执行文件（p 代表 PATH）。
  • 传参方式：l（list）逐个列举参数；v（vector）使用字符串数组（指针数组）传递参数。
• 执行流程：将指定程序复制到调用它的进程 → 将字符串数组作为 argv[] 传递 → 运行新程序。
• 核心特性：exec 成功调用后不返回任何值，子进程原有的后续代码（如 printf）将被新程序替换而不再执行；但如果 exec 调用失败，返回 -1，子进程会继续执行后续代码。

二. 进程退出

进程退出主要分为正常退出和异常退出两类。

1. 正常退出的 3 种方式：

• 程序正常运行结束，进程自动消失。
• 程序调用 exit() 函数退出。
• 程序调用 _exit() 退出。

2. exit() 与 _exit() 的核心区别（图 5.3）：

• exit()：属于库函数。会先刷新缓冲区中的所有流，调用用户通过 atexit 和 on_exit 注册的函数，执行完其他与退出相关的操作后，最后才调用 _exit()。
• _exit()：属于系统调用。会直接终止进程，不刷新缓冲区，也不执行用户注册的清理函数。

3. 异常退出：
进程在运行时收到系统传来的外部信号而终止执行。例如：kill -9 pid 就是向进程号为 pid 的进程发送强制结束信号。

2.1 守护进程（Daemon）

1. 概念：
守护进程是脱离终端且在后台运行的进程。它不受终端控制，即使终端退出，它依然在后台运行（如 ftpd、crond、httpd）。系统引导时会开启很多这种服务为用户提供功能。

2. 核心概念：进程组与会话期（图 5.4）

• 进程组：一组进程的集合，由进程组 PID 表示。每个进程除了进程 ID 外，还必须属于某个进程组。通常一个终端就是进程组组长。
• 会话期：由一个或多个进程组组成的集合。一个会话期开始于用户登录，结束于用户退出。

3. 创建守护进程的 5 个步骤（图 5.5 + 例 5-5）：
① 创建子进程，父进程退出：调用 fork() 创建子进程，然后让父进程 exit()。这样子进程就变成了孤儿进程，被系统的 init 进程（PID 1）收养，从而脱离原终端的控制。
② 让子进程脱离控制终端：在子进程中调用 setsid() 系统调用（见表 5.3）。它会创建一个新的会话，并让调用它的进程成为该会话的组长。作用是让进程摆脱原会话、原进程组、原控制终端的控制。
③ 改变当前目录为根目录：子进程执行 chdir("/")。防止当前目录（如某个挂载点）因为守护进程的存在而无法被卸载。
④ 修改文件权限掩码：调用 umask(0)。将文件权限掩码设置为 0，即取消子进程对文件操作的屏蔽限制，增强守护进程的灵活性。
⑤ 关闭文件描述符：关闭从父进程继承的已打开的文件描述符。因为守护进程已与控制终端失去联系，标准输入输出（0、1、2）等文件描述符不再被使用，且会耗费系统资源，应使用 close(fd) 关闭。

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2.2 僵尸进程（Zombie）

1. 产生原因：
当子进程先于父进程结束，而父进程没有使用 wait() 系统调用获取子进程的结束状态时，子进程就会变成僵尸进程。
注意：如果是父进程先结束，则不会产生僵尸进程。

2. 特点与危害：
僵尸进程没有任何代码、数据或堆栈，占用资源极少，但它依然存在于系统的任务列表中（进程表中占据一个位置）。如果大量产生，会耗尽系统的进程表资源。
识别方法：使用 ps 命令查看时，如果进程名称旁边出现 <defunct>，则表明该进程为僵尸进程（例 5-6 演示了如何通过让父进程长时间睡眠来观察僵尸进程）。

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2.3 进程退出状态与等待

为了防止子进程变成僵尸进程，父进程需要调用 wait() 或 waitpid() 来等待子进程结束并获取其状态。

1. wait() 系统调用（表 5.4）

• 头文件：#include <sys/wait.h>、#include <sys/types.h>
• 原型：pid_t pid = wait(int *status);
• 功能：暂停调用它的进程（父进程），直到有子进程结束。
• 返回值：如果不存在子进程，返回 -1；若有任何一个子进程结束，则返回该子进程的 PID 并保存其返回状态在 status 中。

2. waitpid() 系统调用（表 5.5）与 wait() 的区别

• wait() 的局限性：只能等待任意一个子进程结束。当一个父进程有多个子进程时，若某个子进程结束，wait 只能得到其结束状态，无法再得到其他子进程的状态，容易导致其他子进程变成僵尸进程。
• waitpid() 的改进：
  • 提供了非阻塞调用方式（通过设置 Options 选项，如 WNOHANG：如果没有已结束的子进程则马上返回，不等待）。
  • 可以等待指定的子进程（通过传入特定的 pid 参数，如 pid > 0 等待指定 ID 的子进程；pid = 0 等待同组任意子进程等）。
  • status 参数用于保存返回状态，options 参数用于控制等待行为。

3. 退出状态检测宏（表 5.6）
系统提供了专门的宏来检测 status 变量，判断子进程的退出情况：

• WIFEXITED(status)：如果子进程正常结束，则此宏为真，此时可调用 WEXITSTATUS(status) 取得子进程 exit() 返回的结束代码。
• WIFSIGNALED(status)：如果子进程是因为信号而结束，则此宏为真，此时可调用 WTERMSIG(status) 取得导致子进程终止的信号代码。
• WIFSTOPPED(status)：如果子进程处于暂停执行情况（如收到 SIGSTOP），则此宏为真，此时可调用 WSTOPSIG(status) 取得引发子进程暂停的信号代码。

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转载自 CSDN-专业IT技术社区

原文链接：https://blog.csdn.net/2501_93802159/article/details/167225950