一、介绍

1.1 初学者必需知识

1. 在 Linux 中输入可执行文件的相对路径或者绝对路径就可以运行程序，比如 ./app arg1 arg2，程序执行过程是，shell 进程解析命令行参数并将参数传递给加载器，加载器加载应用程序，将参数传递给引导代码（编译链接时引导代码和 main 函数一起链接到应用程序中），引导程序再调用 main() 函数，最终参数传递给 main() 函数。

2. 程序的结束其实就是进程结束，分为正常终止和异常终止。终止可以注册终止处理函数

3. 进程是一个可执行程序的实例，是一个动态过程，有启动、运行和终止生命周期。进程号（pid_t）是标志系统中某一个进程标志 。

1.2 Linux 进程是什么？

• getpid() 获取本进程进程号

• getppid() 获取父进程进程号

1.2.1 进程环境变量

1. 每个进程都有一组与其相关的环境变量，以字符串形式存储在列表中。进程的环境变量是从父进程中继承过来的，譬如在 shell 终端下执行一个应用程序，那么该进程的环境变量就是从其父进程（shell 进程）中继承过来的。新的进程在创建之前，会继承其父进程的环境变量副本。

1.2.2 进程的内存布局

• Stack (栈)：存放局部变量和函数调用信息，从高地址向低地址增长

• Heap (堆)：动态内存分配区域，从低地址向高地址增长

• BSS段：存放未初始化的全局/静态变量

• Data段：存放已初始化的全局/静态变量

• Text/Code段：存放程序执行指令

1.3 Linux 进程用在哪？

• 某一网络服务器进程可在监听客户端请求的同时，为处理每一个请求事件而创建一个新的子进程，与此同时，服务器进程会继续监听更多的客户端连接请求。

• 在一个大型的应用程序任务中，创建子进程通常会简化应用程序的设计，同时提高了系统的并发性（即同时能够处理更多的任务或请求，多个进程在宏观上实现同时运行）。

二、Linux 进程怎么用？

2.1 fork() 函数

• 共享代码段

• 子进程拷贝了父进程的数据段、堆、栈以及继承了父进程打开的文件描述符，但不共享。

• 在调用了 fork()之后，父、子进程中一般只有一个会通过调用 exit()退出进程，而另一个则应使用_exit()退出。具体原因参考下文2.6 进程的生命周期 。

2.2 文件共享

2.2.1 文件描述符继承，父子进程偏移量共享

2.2.2 不同的文件描述符，父子进程偏移量不共享

2.3 fork() 函数使用场景

• 父进程希望子进程复制自己，使父进程和子进程同时执行不同的代码段。这在网络服务进程中是常见的，父进程等待客户端的服务请求，当接收到客户端发送的请求事件后，调用 fork()创建一个子进程，使子进程去处理此请求、而父进程可以继续等待下一个服务请求。

• 一个进程要执行不同的程序。譬如在程序 app1 中调用 fork()函数创建了子进程，此时子进程是要去执行另一个程序 app2，也就是子进程需要执行的代码是 app2 程序对应的代码，子进程将从 app2程序的 main 函数开始运行。这种情况，通常在子进程从 fork()函数返回之后立即调用 exec 族函数来实现，关于 exec 函数将在后面内容向大家介绍。

2.4 fork() 之后的竞争条件

2.5 vfork() 函数

2.5.1 为什么需要vfork()?

1. fork() 复制父进程中的数据段和堆栈段中的绝大部分内容，耗时长、效率低、资源浪费

2. 调用 exec 函数，子进程不再执行父程序中的代码段，而是执行新程序的代码段，再用fork()，存粹浪费时间、降低效率

1. vfork() 函数并不会将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用 exec（或_exit），于是也就不会引用该地址空间的数据

2. vfork() 保证子进程先运行，子进程调用 exec 之后父进程才可能被调度运行

2.5.2 函数接口

2.6 进程的生命周期

1. 进程开始：PID =1， init 进程，内核启动

2. 进程终止：正常终止和异常终止
1. exit() 终止执行步骤
1. 如果程序中注册了进程终止处理函数，那么会调用终止处理函数
2. 刷新 stdio 流缓冲区。
3. 执行_exit()系统调用。
2. 子进程使用_exit()退出、而父进程则使用 exit()退出。其原因就在于调用 exit()函数终止进程时会刷新进程的 stdio 缓冲区。

1. 对于行缓冲设备，可以加上对应换行符，譬如 printf 打印输出字符串时在字符串后面添加\n 换行符，对于 puts()函数来说，本身会自动添加换行符；

2. 在调用 fork()之前，使用函数 fflush()来刷新 stdio 缓冲区，当然，作为另一种选择，也可以使用setvbuf()和 setbuf() 来关闭 stdio 流的缓冲功能；

3. 子进程调用_exit()退出进程、而非使用 exit()，调用_exit()在退出时便不会刷新 stdio 缓冲区，这也解释前面为什么我们要在子进程中使用_exit()退出这样做的一个原因。将示例中子进程的退出操作 exit()替换成_exit()进行测试，打印的结果便只会显示一次字符串。

2.5 监视子进程和进程回收

2.5.1 wait() 函数

• 若所有子进程都还在运行，阻塞等待子进程终止。

• 若没有子进程， wait()将返回错误，也就是返回-1、并且会将 errno 设置为 ECHILD。

• 若已经有子进程终止，wait() 不会阻塞，会立即回收子进程的一些资源。

• WIFEXITED(status)：如果子进程正常终止，则返回 true；

• WEXITSTATUS(status)：返回子进程退出状态，是一个数值，其实就是子进程调用_exit()或 exit()时指定的退出状态；wait()获取得到的 status 参数并不是调用_exit()或 exit()时指定的状态，可通过WEXITSTATUS 宏转换；

• WIFSIGNALED(status)：如果子进程被信号终止，则返回 true；

• WTERMSIG(status)：返回导致子进程终止的信号编号。如果子进程是被信号所终止，则可以通过此宏获取终止子进程的信号；

• WCOREDUMP(status)：如果子进程终止时产生了核心转储文件，则返回 true；

1. 只能按照顺序处理进程，根据进程终止顺序

2. 只能阻塞等待

3. 只能发现被终止进程，对于SIGSTOP信号（暂停运行），SIGCONT（恢复执行）情况就无能为力了。

2.5.2 waitpid() 函数

2.5.3 僵尸进程与孤儿进程

• 子进程调用 getppid()将返回 1，init 进程变成了孤儿进程的“养父”；这是判定某一子进程的“生父”是否还“在世”的方法之一

• 当父进程调用 wait()（或其变体，下文不再强调）为子进程“收尸”后，僵尸进程就会被内核彻底删除。

• 另外一种情况，如果父进程并没有调用 wait()函数然后就退出了，那么此时 init 进程将会接管它的子进程并自动调用 wait()，故而从系统中移除僵尸进程。

如果父进程创建了某一子进程，子进程已经结束，而父进程还在正常运行，但父进程并未调用wait()回收子进程，此时子进程变成一个僵尸进程。首先来说，这样的程序设计是有问题的，如果系统中存在大量的僵尸进程，它们势必会填满内核进程表，从而阻碍新进程的创建。需要注意的是，僵尸进程是无法通过信号将其杀死的，即使是“一击必杀”信号SIGKILL也无法将其杀死，那么这种情况下，只能杀死僵尸进程的父进程（或等待其父进程终止），这样init进程将会接管这些僵尸进程，从而将它们从系统中清理掉！所以，在我们的一个程序设计中，一定要监视子进程的状态变化，如果子进程终止了，要调用wait()将其回收，避免僵尸进程。

• 子进程状态改变时（终止、暂停或恢复），父进程会收到 SIGCHLD 信号

• 进程的终止属于异步事件
→ 捕获 SIGCHLD 信号，绑定信号处理函数，调用 wait()收回子进程

• 当 SIGCHLD 信号处理函数正在为一个终止的子进程“收尸”时，如果相继有两个子进程终止，即使产生了两次 SIGCHLD 信号，父进程也只能捕获到一次 SIGCHLD 信号，结果是，父进程的SIGCHLD 信号处理函数每次只调用一次wait()，那么就会导致有些僵尸进程成为“漏网之鱼”。
→ 循环非阻塞方式调用 waitpid()

2.8 执行新程序

2.8.1 execve() 函数

2.8.2 exec 库函数

• execv()的argv 参数与 execve()的 argv 参数相同，也是字符串指针数组；

• execl()把参数列表依次排列，使用可变参数形式传递，本质上也是多个字符串，以 NULL 结尾

• execlp()和 execvp()在 execl()和 execv()基础上加了一个 p，这个 p 其实表示的是 PATH；execlp()和execvp()则允许只提供新程序文件名，系统会在由环境变量PATH所指定的目录列表中寻找相应的可执行文件，如果执行的新程序是一个Linux命令，这将很有用

• execle()和 execvpe()这两个函数在命名上加了一个 e，这个 e 其实表示的是 environment 环境变量，意味着这两个函数可以指定自定义的环境变量列表给新程序

2.8.3 system()函数

2.9 进程状态和关系

2.9.1 进程状态

2.9.2 进程关系

1. 无关系

2. 父子进程关系 fork() 创建

3. 进程组：是一个或多个进程的集合，这些进程并不是孤立的，它们彼此之间或者存在父子、兄弟关系，或者在功能上有联系。方便对进程进行管理。
获取进程组ID
程序输出：
进程组 ID<23>---getpgrp() 进程组 ID<23>---getpgid(0) 进程组 ID<23>---getpgid(23)
设置进程组ID
程序输出：
更改前进程组 ID<32> 更改后进程组 ID<32>

4. 会话：会话是一个或多个进程组的集合
每个会话都有一个会话首领（leader），即创建会话的进程。会话的首领进程的进程组 ID 将作为该会话的标识，也就是会话 ID（sid）。
当用户在某个终端登录时，一个新的会话就开始了；当我们在 Linux 系统下打开了多个终端窗口时，实际上就是创建了多个终端会话。

2.10 守护进程

2.10.1 何为守护进程？

1. 不受用户登录注销的影响，一直运行着、直到系统关机。

2. 脱离终端在后台运行。

2.10.2 编写守护进程程序

1. 创建子进程、终止父进程
1. 子进程拥有自己PID，保证了子进程不是一个进程组的组长进程

2. 子进程调用 setsid 创建会话
1. 调用 setsid()会使得子进程创建一个新的会话，子进程成为新会话的首领进程，同样也创建了新的进程组、子进程成为组长进程，此时创建的会话将没有控制终端。
2. 让子进程摆脱原会话的控制、让子进程摆脱原进程组的控制和让子进程摆脱原控制终端的控制。
3. 使子进程完全独立出来，从而脱离所有其他进程的控制。

3. 将工作目录更改为根目录
1. 子进程是继承了父进程的当前工作目录
2. 将子进程工作目录更改为根目录，方便后期使用。

4. 重设文件权限掩码 umask
1. fork 函数新建的子进程继承了父进程的文件权限掩码，这就给子进程使用文件带来了诸多的麻烦
2. 把文件权限掩码设置为 0，确保子进程有最大操作权限、这样可以大大增强该守护进程的灵活性。

5. 关闭不再需要的文件描述符
1. 子进程继承了父进程的所有文件描述符，这些被打开的文件可能永远不会被守护进程读或写，但它们一样消耗系统资源，可能导致所在的文件系统无法卸载

6. 将文件描述符号为 0、1、2 定位到/dev/null
1. 将守护进程的标准输入、标准输出以及标准错误重定向到/dev/null
2. 这使得守护进程的输出无处显示、也无处从交互式用户那里接收输入。

7. 其它：忽略 SIGCHLD 信号
1. 并发服务器进程，如果父进程 wait 等待子进程退出，将又会增加父进程的负担、也就是增加服务器的负担，影响服务器进程的并发性能。
2. 可以将 SIGCHLD 信号的处理方式设置为SIG_IGN，也就是忽略该信号，可让内核将僵尸进程转交给 init 进程去处理，这样既不会产生僵尸进程、又省去了服务器进程回收子进程所占用的时间。

2.11 单例运行

2.11.1 通过文件存在与否进行判断

• 如果存在则表明进程已经运行，此时应该立马退出；

• 如果不存在则表明进程没有运行，然后创建该文件，当程序结束时再删除该文件即可！

• 以 O_RDONLY | O_CREAT | O_EXCL 的方式打开文件，如果文件不存在则创建文件，如果文件存在则 open 会报错返回-1。

• 使用 atexit 注册进程终止处理函数，当程序退出时，使用 remove()删除该文件。

1. 若使用_exit() 退出。不执行回调，则无法执行 delete_file() 函数。

2. 若程序异常退出，无法执行进程终止处理函数。

3. 掉电关机，重启后文件仍存在，导致程序无法执行。

2.11.2 使用文件锁

• 若是成功获取，则将程序的进程号（PID）写入到该文件中，写入后不要关闭文件或解锁（释放文件锁），保证进程一直持有该文件锁；

• 若是程序获取锁失败，代表程序已经被运行、则退出本次启动。

• 打开文件之后使用 flock 尝试获取文件锁，调用 flock()时指定了互斥锁标志 LOCK_NB，意味着同时只能有一个进程拥有该锁。

• 这种机制在一些程序尤其是服务器程序中很常见，服务器程序使用这种方法来保证程序的单例模式运行；在 Linux 系统中/var/run/目录下有很多以.pid 为后缀结尾的文件，这个实际上是为了保证程序以单例模式运行而设计的，作为程序实现单例模式运行所需的特定文件。

• 如果我们要去实现一个以单例模式运行的程序，譬如一个守护进程，那么也应该将这个特定文件放置于 Linux 系统/var/run/目录下，并且文件的命名方式为 name.pid（name 表示进程名）。

三、进程间通信简介

3.1 为什么需要进程间通信

1. 同一个进程的不同模块（譬如不同的函数）之间进行通信都是很简单的，譬如使用全局变量等

2. 大多数中小型应用程序不会设计成多进程程序，使用单进程+多线程程序

3. 复杂、大型的应用程序会考虑设计成多进程程序，比如GUI、服务区应用程序等

3.2 进程通信来龙去脉

• UNIX IPC：管道、FIFO、信号；

• System V IPC：信号量、消息队列、共享内存；

• POSIX IPC：信号量、消息队列、共享内存；

• Socket IPC：基于 Socket 进程间通信

3.2 怎么实现进程通信

3.2.1 管道（pipe）

• 普通 pipe : 单工，只能在父子或兄弟进程间使用

• 流管道 s_pipe : 半双工，只能在父子或兄弟进程间使用

• 有名管道 name_pipe(FIFO) ：允许在不相关进程间进行通信

3.2.2 信号（signal）

3.2.3 消息队列（message queue）

3.2.4 信号量( semophore )

• 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源；

• 主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段；

• Linux提供了一组精心设计的信号量接口来对信号量进行操作，它们声明在头文件sys/sem.h中。

3.2.5 共享内存( shared memory )

3.2.6 套接字( socket )

• 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

引用