进程基础与系统调用详解_进程相关的系统调用-优快云博客

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什么是进程？

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，它代表了正在运行的程序。与程序不同，进程是动态的，它包括代码、数据以及分配给它的其他系统资源，如文件描述符、网络连接等。例如，我们打开的VMWare、浏览器等软件，都对应操作系统中的一个进程。

使用system函数生成子进程

system函数是标准库中用于执行shell指令的函数。它会启动一个shell子进程来执行传入的命令。例如，我们可以使用system("ping -c 10 www.baidui.com")来向www.baidu.com发送10个ICMP回声请求。在子进程执行过程中，我们可以通过ps -ef命令查看所有进程，定位刚刚启动的进程及其父子关系。

进程处理相关系统调用

fork

fork系统调用用于创建一个子进程，它会复制父进程的资源，包括内存空间。fork的返回值在父进程中是子进程的PID，在子进程中是0，如果出错则返回-1。通过fork，我们可以实现进程的复制和并发执行。

execve

execve系列函数用于在同一个进程中跳转执行另外一个程序。它会替换当前进程的代码、数据和堆栈等资源，但保留进程ID。例如，我们可以通过execve("/home/fish/process_test/erlou", args, envs)来在当前进程中执行另一个程序erlou。

waitpid

waitpid系统调用用于父进程等待子进程的终止并获取子进程的退出状态。它可以帮助父进程回收子进程的资源，避免子进程变成僵尸进程。例如，waitpid(pid, &subprocess_status, 0)会一直挂起父进程的执行，直至子进程pid终止。

进程树

Linux的进程通过父子关系组织起来，构成进程树。每个进程都是其上级节点的子进程，同时又是子结点的父进程。进程树的根节点是操作系统的第一个进程，即PID为1的进程，它负责初始化系统，启动其他所有用户空间的服务和进程。

孤儿进程

孤儿进程是指父进程已结束或终止，而它仍在运行的进程。当父进程结束之前没有等待子进程结束，且父进程先于子进程结束时，子进程就会变成孤儿进程。孤儿进程会被其祖先自动领养，继续运行直到完成任务或被系统回收。

waitpid系统调用

waitpid的定义与作用

waitpid系统调用用于父进程等待子进程的终止，并获取子进程的退出状态。它可以帮助父进程回收子进程的资源，避免子进程变成僵尸进程。waitpid的原型如下：

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

参数：
- pid：等待的子进程ID。小于-1时，等待进程组ID等于-pid的所有进程终止；等于-1时，等待任何子进程终止；等于0时，等待同一进程组中任何子进程终止；大于0时，仅等待指定进程ID的子进程终止。
- wstatus：指向整数的指针，用于存储子进程的退出状态。
- options：选项参数，可以设置为WNOHANG（如果没有子进程终止，也立即返回）、WUNTRACED（收到子进程处于收到信号停止的状态，也返回）等。
返回值：成功时返回子进程的PID；如果没有子进程终止且设置了WNOHANG，返回0；出错时返回-1。

waitpid的使用示例

下面是一个使用waitpid系统调用的示例代码：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        // 创建新进程失败
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("子进程PID: %d\n", getpid());
        // 执行一些操作，例如sleep
        sleep(2);
        // 子进程退出
        exit(0);
    } else {
        // 父进程代码
        printf("父进程PID: %d, 等待子进程PID: %d\n", getpid(), pid);
        int wstatus;
        waitpid(pid, &wstatus, 0);
        if (WIFEXITED(wstatus)) {
            printf("子进程正常退出，退出状态码: %d\n", WEXITSTATUS(wstatus));
        } else if (WIFSIGNALED(wstatus)) {
            printf("子进程被信号终止，信号编号: %d\n", WTERMSIG(wstatus));
        }
    }
    return 0;
}

在这个示例中，我们使用fork()创建一个子进程，然后父进程使用waitpid(pid, &wstatus, 0)等待子进程终止。wstatus变量用于存储子进程的退出状态，我们可以通过宏WIFEXITED和WEXITSTATUS来判断子进程是否正常退出以及获取退出状态码。

waitpid的执行过程分析

当调用waitpid系统调用时，它会执行以下步骤：

等待子进程终止：父进程会挂起执行，等待指定的子进程终止。如果设置了WNOHANG选项，父进程不会挂起，而是立即返回。
获取子进程退出状态：当子进程终止时，waitpid会获取子进程的退出状态，并将其存储在wstatus指针指向的整数中。
回收子进程资源：父进程通过waitpid回收子进程的资源，避免子进程变成僵尸进程。

waitpid的注意事项

避免僵尸进程：父进程应及时调用waitpid回收子进程的资源，避免子进程变成僵尸进程，占用系统资源。
错误处理：如果waitpid执行失败，会返回-1，并设置errno变量以指示错误原因。例如，如果指定的子进程ID不存在，errno会被设置为ECHILD。
多子进程处理：如果父进程有多个子进程，可以通过循环调用waitpid来等待所有子进程的终止，并分别获取它们的退出状态。

进程树

进程树的概念与结构

进程树是Linux系统中进程的组织结构，它通过父子关系将所有进程连接起来。进程树中的每个节点代表一个进程，每个进程都是其上级节点的子进程，同时又是子结点的父进程。进程树的根节点是操作系统的第一个进程，即PID为1的进程，它负责初始化系统，启动其他所有用户空间的服务和进程。

进程树的查看方法

ps命令：使用ps -ef命令可以查看系统中所有进程的信息，包括进程的PID、父进程PID、用户ID、优先级、虚拟内存使用情况、物理内存使用情况、CPU时间等。通过ps -ef命令的输出结果，我们可以追溯进程的父子关系。
pstree命令：使用pstree命令可以以树状图的形式展示所有用户进程的依赖关系。pstree命令会从根节点开始，逐级展示进程树的结构，使得进程之间的父子关系一目了然。例如，pstree -p命令会显示进程号，方便我们查看进程的具体信息。

进程树的应用场景

系统监控：通过查看进程树，系统管理员可以了解系统中进程的运行情况，发现潜在的问题。例如，如果某个进程占用了大量的系统资源，可以通过进程树找到其父进程，分析问题的原因。
故障排查：当系统出现故障时，查看进程树可以帮助我们快速定位故障源头。例如，如果某个服务进程崩溃了，可以通过进程树找到与其相关的其他进程，分析它们的状态和日志，找出故障的原因。
性能优化：通过分析进程树，可以发现系统中不必要的进程或资源占用过多的进程，进行相应的优化。例如，如果发现某个进程的子进程过多，可以考虑减少子进程的数量，或者优化子进程的资源使用，提高系统的整体性能。

孤儿进程

孤儿进程的定义与产生原因

孤儿进程是指父进程已结束或终止，而它仍在运行的进程。孤儿进程的产生原因主要有以下几点：

父进程先于子进程结束：如果父进程在子进程之前结束，且没有等待子进程的终止，子进程就会变成孤儿进程。
父进程异常退出：如果父进程由于异常原因（如程序错误、系统崩溃等）退出，而子进程仍在运行，子进程也会变成孤儿进程。

孤儿进程的处理机制

在Linux系统中，孤儿进程会被其祖先自动领养。具体来说，当父进程结束时，孤儿进程会被PID为1的进程（通常是systemd或init进程）领养。领养后的孤儿进程会继续运行，直到完成任务或被系统回收。例如，如果一个父进程创建了一个子进程，然后父进程退出，子进程会被systemd进程领养，继续运行。

孤儿进程的影响与注意事项

资源占用：孤儿进程仍然会占用系统资源，如内存、CPU等。如果孤儿进程过多，可能会导致系统资源紧张，影响系统的性能。
日志记录：孤儿进程的日志记录可能会受到影响，因为它们与原始父进程的联系已经切断。在某些情况下，可能难以追踪孤儿进程的日志信息，给问题排查带来困难。
避免孤儿进程的建议：在编写程序时，要注意避免产生孤儿进程。可以通过以下方法来避免：
- 等待子进程终止：父进程在结束之前，应该使用wait或waitpid等系统调用来等待子进程的终止，并回收子进程的资源。
- 设置信号处理：父进程可以设置信号处理函数，在接收到特定信号时，执行子进程的清理工作，确保子进程能够正常退出。
- 合理设计程序逻辑：在程序设计时，要合理安排父子进程的执行顺序和逻辑，避免父进程提前结束或异常退出，导致子进程变成孤儿进程。