Linux中并发程序设计(进程的创建和回收、exec函数使用)-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了Linux中并发程序设计(进程的创建和回收、exec函数使用)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

进程的创建和回收

进程概念

概念
程序
存放在磁盘上的指令和数据的有序集合（文件）
静态的
进程
执行一个程序所分配的资源的总称
动态的
进程和程序比较

注：进程是存在RAM中，程序是存放在ROM(flash)中的
进程内容
BSS段：存放程序中未初始化的全局变量
数据段：已初始化的全局变量，static声明的变量
代码段：程序执行代码
堆（heap）：malloc等函数分配内存
栈(stack)：局部变量，函数参数，函数的返回值
进程控制块（pcb)：PID，进程优先级，文件描述符表
进程控制块
进程标识PID、进程用户、进程状态、优先级、文件描述符表
进程类型
交互进程：在shell下启动，在前台后台运行
批处理进程：和在终端无关，被提交到一个作业队列中以便顺序执行
守护进程：和终端无关，一直在后台运行
进程状态
运行态、等待态、停止态、死亡态：

进程常用命令

查看进程信息
ps 查看系统进程快照
top 查看进程动态信息
/proc 查看进程详细信息
执行命令如下：
ps：当前shell显示

ps -e ：所有进程显示

ps -el：是显示详细信息
具体命令参数信息如下：
ps 命令详细参数：
-e：显示所有进程
-l：长格式显示更加详细的信息
-f 全部列出，通常和其他选项联用
表头含义
F 进程标志，说明进程的权限，常见的标志有两个:
1：进程可以被复制，但是不能被执行；
4：进程使用超级用户权限；
S 进程状态。进程状态。常见的状态有以下几种：
1. -D：不可被唤醒的睡眠状态，通常用于 I/O 情况。
2. -R：该进程正在运行。
3. -S：该进程处于睡眠状态，可被唤醒。
4. -T：停止状态，可能是在后台暂停或进程处于除错状态。
5. -W：内存交互状态（从 2.6 内核开始无效）。
6. -X：死掉的进程（应该不会出现）。
7. -Z：僵尸进程。进程已经中止，但是部分程序还在内存当中。
8. -<：高优先级（以下状态在 BSD 格式中出现）。
9. -N：低优先级。
10. -L：被锁入内存。
11. -s：包含子进程。
12. -l：多线程（小写 L）。
13. -+：位于后台。
  UID 运行此进程的用户的 ID；
  PID 进程的 ID；
  PPID 父进程的 ID；
  C 该进程的 CPU 使用率，单位是百分比；
  PRI 进程的优先级，数值越小，该进程的优先级越高，越早被 CPU 执行；
  NI 进程的优先级，数值越小，该进程越早被执行；
  ADDR 该进程在内存的哪个位置；
  SZ 该进程占用多大内存；
  WCHAN 该进程是否运行。"-"代表正在运行；
  TTY 该进程由哪个终端产生；
  TIME 该进程占用 CPU 的运算时间，注意不是系统时间；
  CMD 产生此进程的命令名；
实时查看进程命令如下：
top 查看进程动态信息
shift +> 后翻页
shift +< 前翻页
top -p PID 查看某个进程
改变进程优先级
nice 按用户指定的优先级运行进程
nice [-n NI值] 命令
NI 范围是 -20~19。数值越大优先级越低
普通用户调整 NI 值的范围是 0~19，而且只能调整自己的进程。
普通用户只能调高 NI 值，而不能降低。如原本 NI 值为 0，则只能调整为大于 0。
只有 root 用户才能设定进程 NI 值为负值，而且可以调整任何用户的进程。
renice 改变正在运行进程的优先级
renice [优先级] PID
设置优先级案例如下：
改变优先级案例如下：
进程相关命令
jobs 查看后台进程
bg 将挂起的进程在后台运行
fg 把后台运行的进程放到前台运行
ctrl + z 把运行的前台进程转为后台并停止
案例代码如下：
编写一个.c文件，然后调用一个简单的sleep函数后，执行test后在另一个端口查看进程如下：

注：上述是在运行函数后，按ctrl + Z使其进程进入停止状态T

创建子进程

子进程概念
子进程为由另一个进程(对应称之为父进程)所创建的进程，实际上你在linux中写程序都是别人创建的，比如运行.test文件时，就是shell的子进程
子进程创建-fork
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
创建新的进程，失败时返回-1
成功时父进程返回子进程的进程号，子进程返回0
通过fork的返回值区分父进程和子进程
创建子进程案例如下：

注：创建子进程时虽然会复制父进程的代码，但是不会从头开始执行，而是从创建fork函数下方的时候执行，所以子进程没有赋予相应的进程号，但是系统默认给了0，下面图片显示得很清楚

要点：1 子进程只执行fork之后的代码
父子进程执行顺序是操作系统决定的。
父子进程
子进程继承了父进程的内容
父子进程有独立的地址空间，互不影响
若父进程先结束
子进程成为孤儿进程，被init进程收养
子进程变成后台进程
若子进程先结束
父进程如果没有及时回收，子进程变成僵尸进程
父子进程案例如下：
运行如下：

注：可以得出父子进程没有什么特定的关系，是系统随机调用的
通过父进程号看出子进程和父进程
在用kill -9 杀死父进程，然后可以发现子进程的父进程PPID变成1，也就是init进程中，然后另一个终端ctrl + c结束不掉，说明以及变为后台进程了

注：有些新版的ubuntu系统子进程可能被其他进程领养，例如：systemd作为最新的初始化系统（init）来提高系统的启动速度。这和进程1的init是一个道理不要疑惑。

子进程进阶例题

一个父进程拥有五个子进程，代码如下：
运行结果如下：

注：可以看出出现了孙进程的情形，因为上述代码中for循环语句，使子进程执行完fork函数下面的语句后，由于for内部是一个循环语句，因此子进程也执行了一次fork函数所以出现孙进程的情形
解决办法如下：

注：在子进程语句中末尾加入break即可

进程的退出

进程结束-exit/_exit
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
void exit(int status);
void _exit(int status);//不刷新流缓冲区
结束当前的进程并将status返回
exit结束进程时会刷新(流)缓冲区
return 和exit的区别
main函数结束时会隐式地调用exit函数，普通函数return是返回上一级。
案例如下：
执行如下：

注：这里要注意exit(0)相当于return 0，所以printf(“after exit”)不会被调用，因此终端上不显示，而且不要以为return在任何情况下都会隐式调用exit，只有main函数下才会调用exit，要牢记！

进程的回收

进程回收-wait
#include <unistd.h>
pid_t wait(int *status);
成功时返回回收的子进程的进程号；失败时返回EOF
若子进程没有结束，父进程一直阻塞
若有多个子进程，哪个先结束就先回收
status 指定保存子进程返回值和结束方式的地址
status为NULL表示直接释放子进程PCB,不接收返回值
例子代码如下：

注：因为status里面包含地址和进程返回值，不能直接输出，需要通过宏来判断
执行后使用ps查看进程的状态，看是否由僵尸进程，也就是判断exit是否收回子进程，如下：
查看注释wait那两行后的ps状态如下：

注：可以看出多出一个wait僵尸进程(即僵尸进程)
进程回收-waitpid
#include <unistd.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int option);
参数：
pid：
pid>0时，只等待进程ID等于pid的子进程，不管其它已经有多少子进程运行结束退出了，只要指定的子进程还没有结束，waitpid就会一直等下去。
pid=-1时，等待任何一个子进程退出，没有任何限制，此时waitpid和wait的作用一模一样。
pid=0时，等待同一个进程组中的任何子进程，如果子进程已经加入了别的进程组，waitpid不会对它做任何理睬。
pid<-1时，等待一个指定进程组中的任何子进程，这个进程组的ID等于pid的绝对值。
options：
options提供了一些额外的选项来控制waitpid，目前在Linux中只支持WNOHANG和WUNTRACED两个选项，这是两个常数，可以用"|"运算符把它们连接起来使用
WNOHANG ：若由pid指定的子进程未发生状态改变(没有结束)，则waitpid()不阻塞，立即返回0
WUNTRACED：返回终止子进程信息和因信号停止的子进程信息
wait(wait_stat) 等价于waitpid(-1,wait_stat,0)
案例如下：

注：ps查看进程后也是回收的，也可以将-1改为pid，因为上面代码只有一个子进程
有一个案例要注意下如下：
执行如下：

注：可以得出在休息1s后下面的waitpid先执行，然后WNOHANG的话上述也有解释，若pid进程未发生状态改变返回0，状态值也返回异常，那么如何解决这个问题呢，如下
修改后代码代码如下：
修改如下：

注：可以发现修改完成

exec函数族

exec函数组的执行过程

进程调用exec函数族执行某个程序(exec test可以执行第三方程序)
进程当前内容被指定的程序替换(当你执行exec 后面的程序，那么exec当前程序后面的部分都会被替换)
实现让父子进程执行不同的程序(shell就是执行下面的步骤，可以不被替换)
* 父进程创建子进程
* 子进程调用exec函数族
* 父进程不受影响

进程-execl/execlp
#include <unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, …);
int execlp(const char *file, const char *arg, …);
- 成功时执行指定的程序；失败时返回EOF
- path 执行的程序名称，包含路径
- arg… 传递给执行的程序的参数列表
- file 执行的程序的名称，在PATH中查找
  注意：两个函数区别execlp不需要写文件名全路径，在PATH查找
  最后一个参数必须用空指针(NULL)作结束
  进程当前内容被指定的程序替换，但进程号不变
  第0个参数必须要写，虽然它没有使用
案例演示：

注：execl的”ls“为第0个参数，不参与实际的操作，但必须要有
执行如下：
也可以改为execlp函数调用如下：
执行结果如下：
进程-execv
函数代码如下：
进程-system代码使用如下：

守护进程

守护进程概念

概念：
守护进程又叫精灵进程（Daemon Process），它是一个生存期较长的进程，通常独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。
特点：
* 始终在后台运行，独立于任何终端，周期性的执行某种任务或等待处理特定事件。(前台就是类似./test，而后台进程则是./test &)
* 它是个特殊的孤儿进程，这种进程脱离终端，为什么要脱离终端呢？之所以脱离于终端是为了避免进程被任何终端所产生的信息所打断，其在执行过程中的信息也不在任何终端上显示。由于在 Linux 中，每一个系统与用户进行交流的界面称为终端，每一个从此终端开始运行的进程都会依附于这个终端，这个终端就称为这些进程的控制终端，当控制终端被关闭时，相应的进程都会自动关闭。

守护进程-相关概念

进程组：进程集合，每次进程组有一个组长，其进程ID就是该进程组的ID
会话：进程组集合，每个会话有一个组长，其进程ID就是该会话组ID
控制终端：每个会话可以有一个单独的控制终端，与控制终端连接的Leader就是控制进程

举例：
http 服务的守护进程叫 httpd，mysql 服务的守护进程叫 mysqld。
更简便地创建守护进程： nohup 命令
nohup xxxx &
setsid函数：
pid_t setsid(void);
成功：返回调用进程的会话ID；失败：-1，设置errno。
调用了setsid函数的进程，既是新的会长，也是新的组长
getsid函数
pid_t getsid(pid_t pid)
成功：返回调用进程的会话ID；失败：-1，设置errno
1.pid为0表示察看当前进程session ID
2.ps ajx命令查看系统中的进程。参数a表示不仅列当前用户的进程,也列出所有其他用户的进程,参数x表示不仅列有控制终端的进程,也列出所有无控制终端的进程,参数j表示列出与作业控制相关的信息。
3.组长进程不能成为新会话首进程,新会话首进程必定会成为组长进程。
getpid：pid_t getpid(void); 获取进程id
getpgid：pid_t getpgid(pid_t pid); 获取进程组id

守护进程创建

首先，创建子进程，父进程退出，子进程变成孤儿进程，被init进程收养，前面都有提到，然后子进程在后台运行
其次，子进程创建新会话，通过调用setsid函数，来成为新会话组长，子进程脱离原先的终端
然后，改变当前工作目录，调用chdir函数，但不是必须的，根据你一开始的目录是否稳定的来决定，守护进程一直在后台运行，所以工作目录不能被删除
之后，重设文件权限掩码，使用umask(0)将文件权限掩码设置为0，这一步也不是必须的
最后，关闭打开的文件描述符，使用close函数关闭所有从父进程继承的打开文件，而且守护进程已脱离终端，所以stdin/stdout/stderr无法再使用

上述第一步父进程退出相关代码的实现如下：

注：此时执行后无法ctrl + c结束它，已经变成init后台进程下，因此只能kill杀死
使用nohup函数代码如下：
执行如下代码：

注：执行该函数可以将其转换成后台程序运行
创建子进程会话代码
执行下：

注：可以看出这个子进程自己当家做主了，三个都是它的pid了
下面的几步可选的，做不做都行，下面将演示下

注：关闭文件描述符，后面的printf就不显示了

GDB调试多进程程序

进入GDB模式：
调试命令如下：

输入start：运行到第九行，然后输入n进行下一步，进入到fork函数中
其中关键的部分就是如何进入到子进程中的函数命令如下：
如何同时跟踪父进程和子进程如下：

注：set detach-on-fork on 这是默认打开的，即只能跟踪一个进程，所以后面要设置为off，info inferiors是用来查看几个进程的，然后切换进程就执行inferiors Num值

线程的创建和参数传递

线程的基本特点

通常线程指的是共享相同地址空间的多个任务
使用多线程的好处就是大大提高了任务切换的效率，避免了额外的TLB&cache的刷新

线程共享资源

一个进程中的多个线程共享以下资源：
可执行的指令
静态数据(定义的全局变量都是互相可以访问的)
进程中打开的文件描述符
当前工作目录
用户ID
用户组ID

线程的私有资源

每个线程私有的资源包括：
线程ID
PC程序计数器和相关寄存器
堆栈
错误号(errno)
优先级
执行状态和属性

Linux线程库

pthread线程库中提供了如下基本操作
创建线程
回收线程
结束线程
同步和互斥机制
信号量
互斥锁
线程创建
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const
pthread_attr_t *attr, void *(*routine)(void *), void *arg);
成功返回0，失败时返回错误码
thread 线程对象
attr 线程属性，NULL代表默认属性
routine 线程执行的函数
arg 传递给routine的参数，参数是void * ，注意传递参数格式，
具体操作代码如下：

运行如下：

注：为什么加sleep(1)给上面程序一个喘息的机会，创建线程也需要时间
上述编译错误分析：
1.createP_t.c:14:36: warning: passing argument 3 of ‘pthread_create’ from incompatible pointer type [-Wincompatible-pointer-types]
ret = pthread_create(&tid,NULL,testThread,NULL);
In file included from createP_t.c:1:0:
/usr/include/pthread.h:233:12: note: expected ‘void * (*)(void )’ but argument is of type ‘int * ()(char )’
意义：表示pthread_create参数3的定义和实际代码不符合，期望的是void * ()(void ) ，实际的代码是int * ()(char )
解决方法：改为pthread_create(&tid,NULL,(void)testThread,NULL);
2.createP_t.c:(.text+0x4b)：对‘pthread_create’未定义的引用
collect2: error: ld returned 1 exit status --------这个链接错误，
表示pthread_create这个函数没有实现
解决方法：编译时候加 -lpthread
注意事项：1. 主进程的退出，它创建的线程也会退出。
线程创建需要时间，如果主进程马上退出，那线程不能得到执行

线程ID的获取

线程结束-phread_exit
void pthread_exit(void *retval);
结束当前线程
retval可被其他线程通过pthread_join获取
线程私有资源被释放
代码如下：
线程查看tid函数
pthread_t pthread_self(void)
如何使用如下，直接调用函数即可，注意pthread_t为lu类型，无符号长整型：
执行如下：
线程的参数传递函数调用如下：
执行如下：

编译错误：
createP_t.c:8:34: warning: dereferencing ‘void *’ pointer
printf(“input arg=%d\n”,(int)*arg);
createP_t.c:8:5: error: invalid use of void expression
printf(“input arg=%d\n”,(int)arg);
错误原因是void 类型指针不能直接用取值（arg），因为编译不知道数据类型。
解决方法：转换为指定的指针类型后再用取值比如：(int *)arg
- 通过地址传递参数，注意类型的转换
- 值传递，这时候编译器会告警，需要程序员自己保证数据长度正确。这个方式见如下：
  
  注：虽然运行后会报警，但不影响正常执行
创建多个线程
执行如下：

注：这时候出现了一个问题，还是和之前一样，就是在for循环后，线程还没执行完，就会根据i的地址去找值，但此时mian已经访问到第四个值了，因此输出结果可能异常，所以在for循环里的创建线程函数后面添加一个sleep(1)函数，这时候效率可能不高，可以采用值传递
线程的回收：
使用pthread_join 函数：
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
注意：pthread_join 是阻塞函数，如果回收的线程没有结束，则一直等待
编译错误：
pjoin.c:13:5: error: unknown type name ‘pthead_t’
pthead_t tid;
错误类型：未知的类型pthead_t
错误可能：1拼写错误，2对应的头文件没有包含
pjoin.c:18:12: warning: format ‘%s’ expects argument of type ‘char *’, but argument 2 has type ‘void ’ [-Wformat=]
printf(“thread ret=%s\n”,retv);
错误类型：参数不匹配，期望的是char * ，但参数retv是void *
解决：在参数前面加强制类型转换（char）retv
使用线程的分离：
两种方式：
1 使用pthread_detach
2 创建线程时候设置为分离属性
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);
线程的取消：
意义：随时杀掉一个线程
取消点函数如下：
int pthread_cancel(pthread_t thread);
注意：线程的取消要有取消点才可以，不是说取消就取消，线程的取消点主要是阻塞的系统调用
运行段错误调试：
可以使用gdb调试
使用gdb 运行代码，gdb ./youapp
(gdb) run
等待出现Thread 1 “pcancel” received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
输入命令bt（打印调用栈）
(gdb) bt
#0 0x00007ffff783ecd0 in vfprintf () from /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
#1 0x00007ffff78458a9 in printf () from /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
#2 0x00000000004007f9 in main () at pcancel.c:21
确定段错误位置是pcancel.c 21行
如果没有取消点，手动设置一个
void pthread_testcancel(void);
设置取消使能或禁止
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);
PTHREAD_CANCEL_ENABLE
PTHREAD_CANCEL_DISABLE
设置取消类型
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);
- 第一个参数
  PTHREAD_CANCEL_DEFERRED 等到取消点才取消
  PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS 目标线程会立即取消
- 第二个参数一般为NULL

线程的清理

函数介绍(这两个函数必须成对使用)
必要性：当线程非正常终止，需要清理一些资源。
void pthread_cleanup_push(void(*routine)(void *),void *arg)
void pthread_cleanup_pop(int execute)
routine 函数被执行的条件：
- 被pthread_cancel取消掉。
- 执行pthread_exit
- 非0参数执行pthread_cleanup_pop()
  注意：
- 必须成对使用，即使pthread_cleanup_pop不会被执行到也必须写上，否则编译错误。
- pthread_cleanup_pop()被执行且参数为0，pthread_cleanup_push回调函数routine不会被执行.
- pthread_cleanup_push 和pthread_cleanup_pop可以写多对，routine执行顺序正好相反
- 线程内的return 可以结束线程，也可以给pthread_join返回值，但不能触发pthread_cleanup_push里面的回调函数，所以我们结束线程尽量使用pthread_exit退出线程。
- 线程内的return可以结束线程，但不能触发push里面的回调函数
代码如下：
执行后发现编译出错，原因是这两个函数需要成对使用，错误如下：
如何修改代码如下：
pthread_cleanup_pop函数的用法
执行如下：

注：如果pop(0)改为pop(1)时候则会调用cleanup函数，输出字符串，而且如果调用多个清理函数时，遵循栈的特点，后进先出来执行回调函数