进程简介

本文简单说明了linux操作系统中进程的概念，以及进程相关的简单操作。

进程基础

程序的执行实例被称为进程(process)，Unix系统确保每个进程都有唯一的数字标识符，称为进程ID(process ID)。进程ID是一个非负的整数。可以使用getpid()函数来获得进程ID。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("process ID %d\n", getpid());
    return (0);
}

运行程序：

$ ./process
process ID 39572

或者使用ps命令，获得所有进程信息：

  PID TTY           TIME CMD
15252 ttys002    0:00.25 ssh -p 10022 zhf@127.0.0.1
35084 ttys003    0:00.33 vim lab05_extra.py
36715 ttys003    0:00.05 python

进程控制

有2个用于进程控制的主要函数：fork和waitpid。我们用一个小程序来说明他们的具体作用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int status;

    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* children process */
    if (pid == 0) {
        printf("children process %d.\n", getpid());
    }

    /* parent process */
    else {
        printf("parent process %d.\n", getpid());
        waitpid(pid, &status, 0);
        printf("%d process stop!\n", pid);
    }

    return 0;
}

我们运行程序，得到以下结果：

parent process 40050.
children process 40051.
40051 process stop!

fork()会创建一个新的进程，新进程是原始进程的副本，和原始进程有相同的环境变量，我们称新创建的进程为子进程。fork()对父进程返回子进程的ID，对子进程返回0。因为fork()创建了一个新的进程，所以说它被调用一次，执行两次。
waitpid()接收进程ID，等待进程结束，并返回子进程的终止状态（保存在status中）。

一个进程在终止时会关闭所有文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但它的PCB还保留着，内核在其中保存了一些信息：如果是正常终止则保存着退出状态，如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。这个进程的父进程可以调用waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。

如果一个进程已经终止，但是它的父进程尚未调用waitpid对它进行清理，这时的进程状态称为僵尸（Zombie）进程。任何进程在刚终止时都是僵尸进程，正常情况下，僵尸进程都立刻被父进程清理了，为了观察到僵尸进程，我们自己写一个不正常的程序，父进程fork出子进程，子进程终止，而父进程既不终止也不调用waitpid清理子进程：

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
	pid_t pid=fork();
	if(pid<0) {
		perror("fork");
		exit(1);
	}
	/* parent process */
	if (pid>0) {
		while(1);
	}
	/* child */
	return 0;	  
}

在后台运行这个程序，然后用ps命令查看：

$ ./err
[1] 40457
$ ps u
USER      PID  %CPU %MEM      VSZ    RSS   TT  STAT STARTED      TIME COMMAND
hanfeng 40457 100.0  0.0  4277984    852 s001  RN    8:59PM   0:29.34 ./err
hanfeng 40461   0.0  0.0        0      0 s001  ZN    8:59PM   0:00.00 (err)
...

父进程的pid是40457，子进程是僵尸进程，pid是40461，ps命令显示僵尸进程的状态为ZN。

如果一个父进程终止，而它的子进程还存在（这些子进程或者仍在运行，或者已经是僵尸进程了），则这些子进程的父进程改为init进程。init是系统中的一个特殊进程，通常程序文件是/sbin/init，进程id是1，在系统启动时负责启动各种系统服务，之后就负责清理子进程，只要有子进程终止，init就会调用wait函数清理它。

环境变量

每个程序都有一张环境表，环境表是一个字符串指针数组。全局变量environ包含了该指针数组的地址。

environment list

由于我们的bash同样是一个进程，我们可以在terminal中使用env来查看所有的环境变量：

...
USER=hanfeng
XPC_SERVICE_NAME=0
LOGNAME=hanfeng
__CF_USER_TEXT_ENCODING=0x0:0:0
ITERM_SESSION_ID=w1t0p0:416DCE2A-C001-4CA9-B966-3075F6A45EC8
SHLVL=1
OLDPWD=/Users/hanfeng/Desktop
ZSH=/Users/hanfeng/.oh-my-zsh
PAGER=less
LESS=-R
LSCOLORS=Gxfxcxdxbxegedabagacad
LC_CTYPE=UTF-8
_=/usr/bin/env

使用fork()产生的子进程都会复制父进程的环境变量。因此如果使用export改变环境变量，那么子进程的环境变量也会相应改变。如果重启shell，改变就会失效。

进程间通信

由于每个进程都有独立的内存空间，要实现进程间的通信，必须要使用文件或者管道。

管道是由pipe函数创建：

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，它有一个读端一个写端，然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符，fd[0]指向管道的读端，fd[1]指向管道的写端。进程使用以下方式使用管道进行通信。

进程调用pipe
调用fork()，创建和父进程相同的子进程
父进程关闭读断(fd[0])，子进程关闭写端(fd[1])，实现子进程接收父进程信息

具体代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    int n, fd[2];
    pid_t pid;
    char line[24];

    if (pipe(fd) < 0)
        perror("pipe error\n");

    if ((pid = fork()) < 0)
        perror("fork error\n");
    
    /* parent process */
    if (pid > 0) {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "wrote by parent process\n", 24);
    }
    /* child process */
    else {
        close(fd[1]);
        read(fd[0], line, 24);
        printf("print by child process: %s", line);
    }

    return 0;
}

运行程序，结果如下：

print by child process: wrote by parent process

子进程通过pipe，成功接收到了父进程的信息。

进程基础

进程控制

环境变量

进程间通信

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