前言

??本篇是Linux系統編程系列的第二篇，介紹行程相關概念，行程控制、exec函式族、守護行程，本篇學習重點的在于理解行程相關的概念，熟練使用行程控制函式，熟悉守護行程創建的步驟，

相關概念

多任務

??多任務是指同一時刻多個任務同時運行，我們的手機可以在聊微信的同時使用網易云播放音樂就是作業系統多任務的體現，“同一時刻”實際上并非真正的同一時刻，單核的處理器在同一時刻只能運行一個任務，每個任務創建時，作業系統就會分配一定量的時間片（ms級）給它，當運行到這個時間片時，就會調度這個任務運行，時間片結束后，作業系統又會調度其它任務運行，以此往復，處理器的速度遠遠快于我們人眼的反應速度，因此，多任務機制是宏觀并行，微觀串行，

行程的定義

??行程是一個程式執行的程序，是作業系統動態執行的基本單元和資源分配的基本單元，

行程和程式的區別

??程式是一個抽象的靜態概念，是指令在磁盤上有序的集合，
??行程是一個抽象的動態概念，包括動態創建、調度和消亡的整個程序，是程式執行的一個程序，
??舉個不一定恰當的例子：如果程式是軟體流程圖，告訴我們如何去撰寫代碼，那么行程就是撰寫代碼的具體程序，包含創建檔案、添加頭檔案、復制代碼、拷貝代碼等等，

行程的身份——行程標識

??每個行程都有唯一的行程號（PID），除了自身的行程號，每個行程還有父行程號（PPID），在Linux 中，可以使用 getpid()和 getppid()這兩個系統呼叫函式獲得當前行程的PID和PPID，

行程的三態模型

??根據行程的運行狀態，可以分成三種形態，
??執行態：該行程正在運行，即行程正在占用 CPU，
??就緒態：行程已經具備執行的一切條件，正在等待分配 CPU 的處理時間片，
??等待態：行程不能使用 CPU，若等待事件發生（等待的資源分配到）則可將其喚醒，

行程的型別

??在Linux中行程可以分為以下三種行程：
??互動行程：在shell下啟動，在前臺運行也可以在后臺運行，
??守護行程：和終端無關，一直在后臺運行，生命期很長，
??批處理行程：這種行程和終端沒有聯系，是一個行程式列，

行程相關的命令列

??系統編程專欄主要側重點在系統編程的知識點，因此命令簡單帶過，嵌入式需要掌握的常用命令會在Linux基礎專欄中介紹，

查看行程資訊

??ps：查看行程快照，
??ps -ef：查看系統中所有行程的簡要資訊，
??ps -ef | grep test：根據關鍵字顯示行程資訊，
??ps -aux：和ps -ef的輸出結果差別不大，但展示風格不同，
??top：動態顯示行程資訊，
??/proc：查看行程詳細資訊，

優先級命令

??nice -n nice值 ./test：按用戶指定的優先級運行行程，nice值范圍：-20~19，值越小優先級越高，普通用戶最小指定nice值為0，
??renice -n nice值 行程號：改變已有行程的優先級，普通用戶只能增加nice值，

后臺命令

??jobs：查看后臺行程，
??fg 作業號：把后臺行程變成前臺行程，
??bg 作業號：將掛起的行程運行起來，

Linux行程的虛擬記憶體

??32位處理器在Linux系統下會給每個行程分配4G的虛擬記憶體，其中前3G是用戶空間記憶體，最后1G是內核空間記憶體，有同學可能會疑惑了，我們的物理記憶體都不到4G，每個行程是怎么做到各自都有4G的虛擬記憶體呢？這就是涉及到虛擬記憶體在物理記憶體上映射機制的問題了，由于內容較多，將在專題中介紹，

??本專欄著重對應用開發的介紹，因此以下介紹的是用戶空間，用戶空間從低地址到高地址由代碼段（text）、資料段（data、bss）、堆（heap）、映射段（mmap）、堆疊（stack）組成，

行程控制塊——PCB

??行程控制塊位于行程的內核空間記憶體中，每個行程都自己獨有的行程控制塊，記錄了行程的相關資訊，相當于行程的身份證，行程控制塊實際上就是一個在內核空間的是task_struct結構體，它主要由以下內容：

• 行程id
• 行程的狀態
• 行程切換時需要保存和恢復的一些CPU暫存器
• 描述虛擬地址空間的資訊
• 描述控制終端的資訊
• 當前作業目錄
• umask掩碼
• 檔案描述符表，包含很多指向file結構體的指標
• 用戶id和組id
• 控制終端、Session和行程組
• 行程可以使用的資源上限

行程組

??程式運行時會創建一個行程，同時一個新的行程組也被創建，每個行程屬于一個行程組，行程創建的子行程和父行程同屬一個行程組，簡單理解為行程組和程式是一一對應的，

會話

??會話是一個或多個行程組的集合，通常用戶打開一個終端時，系統會創建一個會話，所有通過該終端打開的行程都屬于這個會話，這個終端被稱為控制終端，一個會話只能打開一個終端，終端關閉時，所有相關行程會關閉，因此守護行程要獨立于終端，

行程控制

行程創建——fork

特殊的回傳值

??fork是創建一個行程的唯一方法，與我們理解的普通函式不同的是，為了區分父子行程，行程創建成功后，fork有兩個回傳值，其中在父行程中回傳子行程的行程號，在子行程中回傳0，行程創建出錯回傳-1，

父子行程

??從已存在的行程中創建一個新的行程，這個新的行程稱為子行程，子行程復制父行程的0到3g空間和父行程內核空間中的PCB，而子行程所獨有的只有它的行程號、資源使用和計時器等，由此可見創建一個子行程的開銷會很大，子行程結束后除PCB外的資源都被釋放，父行程應及時回收，若不及時回收，子行程會變成僵尸行程，等到父行程結束后才會被init行程回收，init行程是Linux啟動后創建的第一個行程，若父行程先結束，子行程會變成孤兒行程，被init行程收養，此時的子行程會變成后臺行程，由于子行程復制了父行程的PC暫存器，因此子行程是從fork后的下一條指令開始執行，至于子行程和父行程誰先執行的問題，答案是都有可能，具體看系統先執行父行程的時間片還是子行程時間片，

fork函式語法

函式原型
pid_t fork(void)
回傳值
0：子行程，子行程號（正整數），-1：出錯，

使用實體

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> 

int main(int argc, char **argv)
{
	pid_t pid;
	/* 呼叫fork創建子行程 */
	pid = fork();
	if(pid < 0)
	{
		printf("fork error\n");//fork出錯
	}
	else if(pid == 0)//子行程,else if(pid == 0)內執行的是是子行程了
	{
		printf("this is child process!my pid is %d\n",getpid());//前文提到getpid可獲得行程號
	}
	else//fork的回傳值只有三種可能，前兩種可能在前面已經列出，因此else內執行的是父行程了
	{
		printf("this is father process!my pid is %d\n",getpid());	
	}
	return 0;
}

在ubuntu中編譯運行

exec函式族

概述

??前文提到過呼叫fork函式后，子行程幾乎復制了父行程的所有內容，代碼段也包含其中，為了讓子行程執行不同的程式，可以呼叫exec函式族來啟動另一個程式，從而替換子行程的代碼段、資料段、堆疊等內容，exec啟動的可執行檔案可以是二進制檔案，也可以是Linux下的任何可執行檔案，如shell腳本等，

exec函式族語法

函式原型
int execl(const char *path, const char *arg, …);
int execlp(const char *file, const char *arg, …);
int execle(const char *path, const char *arg, …, char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
傳入引數
path：包含檔案名在內的完整路徑，
file：可以只給出檔案名，系統會自動按斬訓境變數"$PATH"指定的路徑區查找，
argv[]：字符陣列形式的命令列引數，陣列最后一個成員必須是NULL，
arg：可執行檔案的命令列引數，可以是多個，此時跟在arg后的引數必須傳入NULL，
envp[]：指定新行程的環境變數，陣列最后一個成員必須是NULL，
回傳值
出錯回傳-1，
例子
??傳入引數可能看得云里霧里，用以下幾個例子較清晰：

char *const ps_argv[] ={"ps", "-ef", NULL};
char *const ps_envp[] ={"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
execv("/bin/ps", ps_argv);
execle("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL, ps_envp);
execve("/bin/ps", ps_argv, ps_envp);
execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
execvp("ps", ps_argv);

??以上函式的使用結果都是一樣，相當于在命令列輸入ps -ef，即查看當前所有行程的意思，
記憶方法
函式名可以區分這些函式：

• l(list)：表示引數采用串列，
• v(vector)：引數用陣列，
• p(path)：自動搜索環境變數PATH，
• e(env)：自己維護環境變數，

exec函式族呼叫本質

??實際上，只有execve是真正的系統呼叫，其它五個函式最終都呼叫execve，

行程終止

概述

??行程的中止有5種方式：main自然回傳；呼叫exit函式；呼叫_exit函式；接收到終止信號，如終端輸入Ctrl+C；呼叫abort函式產生SIGABRT信號，前3種是正常的行程終止方式，后2種是例外終止，下面我們介紹exit函式和_exit函式終止行程，
??exit函式和_exit函式都可以終止行程，區別在于_exit函式會無條件停止行程所有操作，清除行程相關內容，終止行程，而exit函式會先檢查檔案打開情況，將檔案緩沖區的內容寫入檔案后再終止行程，為了保證資料完整性，常用exit函式來終止行程，

_exit、exit函式語法

函式原型
void _exit(int status)
void exit(int status)
傳入引數
status：整型引數，通過該引數可以傳遞行程結束時的狀態，一般用0表示行程正常結束，可以用wait函式接收子行程的回傳值，

行程回收

概述

??前文提過，子行程結束后父行程應及時回收，可以呼叫wait函式或waitpid函式來回收子行程，
??呼叫wait函式后父行程阻塞等待，直到有子行程結束或父行程被其它信號中斷，若該行程沒有子行程或者子行程在呼叫wait函式前已經結束，wait函式會立即回傳，
??waitpid比wait更加靈活，wait回收的是呼叫函式后最先結束的子行程，waitpid則有更多的選項，此外，waitpid可以選擇非阻塞方式，

wait函式語法

函式原型
pid_t wait(int *status)
傳入引數
status：表示子行程結束時的狀態，可以用WIFEXITED(status)和WEXITSTATUS(status)兩個宏來獲取行程結束的回傳值，若WIFEXITED(status)回傳非0，則行程是正常結束，當WIFEXITED(status)回傳非0時，可以用WEXITSTATUS(status)提取子行程的回傳值，即exit和_exit的status值或return的回傳值，
回傳值
成功回傳回收的子行程號，失敗回傳-1，

waitpid函式語法

函式原型
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)
傳入引數
pid：>0：回收指定行程號的子行程，-1：回收任意子行程，0：回收和當前呼叫waitpid一個組的所有子行程，<-1：回收指定行程組內的任意子行程，該組ID為pid的絕對值
status：同wait，
options：選項，

回傳值
成功回傳回收的子行程號，失敗回傳-1，使用選項 WNOHANG 且沒有子行程退出回傳0，

守護行程

守護行程概述

??守護行程是Linux三種行程型別之一，通常在系統啟動時運行，系統關閉時結束，很多服務程式以守護行程方式運行，與依附于終端的行程不同的是守護行程始終在后臺運行，獨立于任何終端，周期性執行某種任務或等待特定事件，不會因終端關閉而關閉，

守護行程創建步驟

創建子行程，父行程退出

??創建子行程，父行程退出后子行程變成孤兒行程，被init行程收養，此時子行程在后臺運行，依舊依附于終端，

子行程創建新會話

??在子行程種呼叫setsid創建新會話，此時子行程成為新的會話組長，脫離原先的終端，

更改當前作業目錄

??守護行程一直在后臺運行，其作業目錄不能被卸載，因此作業目錄需要指向一個永遠不會被卸載的目錄，當前作業目錄可以呼叫chdir函式更改為/或者/tmp，其中/可讀可執行但不可寫，/tmp可讀可寫可執行，

重設檔案權限掩碼

??在IO編程種提到過檔案掩碼會屏蔽掉檔案權限種的對應位，使用fork函式創建的子行程復制了父行程幾乎所有的內容，同樣，檔案權限掩碼也被復制了，為了增加子行程的靈活性，可以呼叫umask函式把子行程的檔案權限掩碼設定為0，

關閉打開的檔案描述符

??我們知道一個行程創建后會自動生成標準輸入、標準輸出、標準錯誤3個檔案描述符，而守護行程獨立于終端運行，這3個檔案已經失去了存在的意義，因此為了減少系統開銷需要關閉這3個檔案，同樣，其它檔案從父行程繼承過來的檔案也需要關閉，呼叫getdtablesize函式可以獲得檔案個數，從而使用回圈陳述句關閉依次這些檔案，至此守護行程創建完成，

守護行程創建例子

創建一個守護行程，每10秒會在指定檔案種輸入內容，

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
	pid_t pid;
	int i, fd;
	char *buf = "This is a Daemon\n"; 
	/* 第一步：創建子行程，父行程退出 */	 	 	 	 	 
	pid = fork(); 
	if (pid < 0)
	{
		printf("Error fork\n");
		exit(1);
	}
	else if (pid > 0)
	{
		exit(0); /* 父行程退出 */
	}
	/*第二步：更改當前作業目錄*/
	setsid(); 
	/*第三步：更改當前作業目錄*/
	chdir("/"); 
	/*第四步：重設檔案權限掩碼*/
	umask(0); 
	/*第五步：關閉打開的檔案描述符*/
	for(i = 0; i < getdtablesize(); i++) 
	{
		close(i);
	}
	
	/*這時創建完守護行程，以下開始正式進入守護行程作業*/
	while(1)
	{
		if ((fd = open("/tmp/daemon.log",O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND, 0600)) < 0)
		{
			printf("Open file error\n");
			exit(1);
		}
		write(fd, buf, strlen(buf) + 1);
		close(fd);
		sleep(10);
	}
	exit(0);
}