Learn Linux Process

概述

进程可以理解为应用程序执行的一个实例，它包括可执行程序及其相关系统资源。 简单地来说，应用程序运行起来就是个进程。 在进程方面，Linux 和 Windows 是有区别的，Linux 的进程变现地更像 Windows 的线程。 每一个进程都有一个唯一的 ID 号。操作系统有一个初始进程 init，它的 ID 是1。 每个进程都可以通过 fork 产生子进程，每个进程都是 init 进程的子进程。
每个进程的 task_struct 结构体中有一个 state 字段（可以通过 ps aux 命令看到），用来表示当前进程的状态。 进程一共有以下五种状态：
  • R:running~运行
  • S:sleeping~休眠
  • D:uninterruptible sleep~不可中断
  • Z:zombie~僵尸进程
  • T:traced~停止

如何创建进程

依靠 fork() 函数可以随时产生新的进程，产生新的进程以后，当前进程被分为两个进程，父进程和子进程，两者拥有相同的代码段，不相同的数据段。通过 fork() 函数的返回值来区分是父进程还是子进程。返回小于0说明创建失败，等于0代表子进程在执行，大于0是子进程的 ID 号，可以通过分支来控制父子进程分别走哪个代码段。
看下面这个程序：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    pid_t pid;
    printf("before\n");
    int num = 0;
    pid = fork();

    if(pid < 0) {
        printf("create failed: %s\n",strerror(errno));
    }
    
    if(pid == 0) {
        printf("child process is running\n");
    }
    
    if(pid > 0) {
        printf("parent process is running \n");
    }
    
    num--;
    printf("%d\n",num);
    
    return 0;
}
看完它想必就会理解上面的话。这个程序的输出顺序不会是固定的（因为父子进程拥有相同的优先级），子进程和父进程哪一个先开始哪个先结束，都是不一定的。num 最后输出的值都是-1，也就是父子进程虽然共享代码段，但是数据是不共享的。
是不是比 Windows 简单多了？
关于 fork() 还有个有意思的点，比如在程序一开始有如下代码段，一共会有几个进程？ fork(); fork();
答案是四个。 父进程在第一次 fork 产生了一个子进程；第二次 fork，子进程和父进程又分别产生了一个进程，所以就会像满二叉树一样， fork() n 次，就会出现 2^n 个进程。

两种特殊进程

僵尸进程

什么是僵尸进程？通常子进程在结束（死掉）以后，需要父进程负责回收操作系统没有回收掉的小部分资源和 ID 等。但是父进程被困住了（比如在死循环里），子进程死掉之后，父亲没有机会为他收尸（比如调用 wait() 或者 waitpid() ）。于是这个子进程就变成了僵尸进程。
进程虽死，但是还占着 ID 和小部分资源，是不是跟僵尸很像？ 看一段代码：
int main()
{
    pid_t pid;

    if( (pid = fork() ) < 0) {
        printf("create failed %s\n",strerror(errno));
    }

    if(pid == 0) {
        printf("child process is running\n");
        exit(0);
    }

    if(pid > 0) {
        printf("parent process is running \n");
        while(1) {
        }
        wait(NULL);
    }

    return 0;
}
可以看到父进程深陷死循环，根本没有机会为死掉的子进程收尸，子进程就变成僵尸咯（注意，这个时候子进程是有父亲的）。 少量的僵尸进程还 OK，但是系统的进程 ID 是有限的，大量的僵尸进程只会拖累系统，导致无法产生新的进程。 感兴趣的可以看一下fork 炸弹，十几个字符就可以一摧毁一台计算机。
服务器通常是7*24小时开启的，如果程序编写不当，是一定会产生僵尸进程，那么该如何避免僵尸进程呢？
有两种方法，第一种，通过信号的方法：
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <errno.h>#include <signal.h>void handler(){    wait(NULL);}int main(){    pid_t pid;    signal(SIGCHLD,handler);    if( (pid = fork()) < 0) {        printf("create failed %s\n",strerror(errno));    }    if(pid == 0) {        printf("child process is running\n");        exit(0);    }    if(pid > 0) {        printf("parent process is running \n");        while(1) {        }        wait(NULL);    }    return 0;}
signal() 用来监视信号，两个参数分别是信号和信号处理函数。子进程退出会发出 SIGCHLD 信号，处理函数调用 wait() 把子进程的尸体回收。
第二种方法涉及孤儿进程的概念，随后道来。

孤儿进程

孤儿进程，顾名思义就是那些父进程已经退出了，但它还没有退出。操作系统怎么会让孤儿进程 没了父亲呢？于是 init 进程会把该进程自动接收为子进程（收养），由 init 负责回收。 是不是很有爱？ 孤儿进程的存在有什么意义呢？还记得防止僵尸进程的第二个方法么？ 先看代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>

void handler()
{
    wait(NULL);
}

int main()
{
    pid_t pid;
    signal(SIGCHLD,handler);  

    if( (pid = fork()) < 0) {
        printf("create failed %s\n",strerror(errno));
    }

    if(pid == 0) {
        printf("child process is running\n");
        exit(0);
    }

    if(pid > 0) {
        printf("parent process is running \n");
        while(1) {
        }
        wait(NULL);
    }

    return 0;
}
在父进程无脑循环的时候，子进程又创建了一个进程，并且自己先退出了，我们把子进程创建的进程称为孙子进程，他的父亲退出了，便成为了孤儿进程，这时 init 负责收养，并在孙子进程退出的时候为他收尸。 说实话，不知是我代码的问题，还是怎样，这种方法并不如信号那样奏效。而且还难于理解，所以我并不推荐。
对了，关于僵尸进程的测试方法我一般是这样做的：
  • 执行程序的时候，放到后台：./a.out &
  • 查看进程，看有没有僵尸进程： ps aux | grep Z
  • 有的话说明错误了，这时候把后台程序拉回来：fg
  • 结束程序：CTRL + C
 

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