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什么是进程

科技绿洲 来源:Linux开发架构之路 作者:Linux开发架构之路 2023-11-08 15:21 次阅读

在探讨这个问题之前,我们先来弄清什么是进程。

进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述,进程是程序的实体。进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源,是一个动态的概念,是一个活动的实体。它不只是程序的代码,还包括当前的活动,通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。通俗点讲,进程是一段程序的执行过程,是个动态概念。

一:进程状态

图片

程序运行必须加载在内存中,当有过多的就绪态或阻塞态进程在内存中没有运行,因为内存很小,有可能不足。系统需要把他们移动到内存外磁盘中,称为挂起状态。就绪状态的进程挂起就是挂起就绪状态,阻塞进程挂起就称为阻塞挂起状态。

每个进程的产生都有自己的唯一的ID号(pid),并且附带有一个它父进程的ID号(ppid)。进程死亡时,ID被回收。

进程间靠优先级获得CPU资源,时间片段轮换来更新优先级,以保证不会一个进程占据CPU时间过长。每个进程都得到轮换运行,因为这个时间非常短,所以给我们就好像是系统在同时运行好多进程。

二:僵尸进程

图片

那么什么称为僵尸进程呢?

即子进程先于父进程退出后,子进程的PCB需要其父进程释放,但是父进程并没有释放子进程的PCB,这样的子进程就称为僵尸进程,僵尸进程实际上是一个已经死掉的进程。我们用代码来看一下

#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
pid_t pid=fork();

if(pid==0) //子进程
{
printf("child id is %dn",getpid());
printf("parent id is %dn",getppid());
}
else //父进程不退出,使子进程成为僵尸进程
{
while(1)
{}
}
exit(0);
}

我们将它挂在后台执行,可以看到结果,用ps可以看到子进程后有一个 ,defunct是已死的,僵尸的意思,可以看出这时的子进程已经是一个僵尸进程了。因为子进程已经结束,而其父进程并未释放其PCB,所以产生了这个僵尸进程。

图片

我们也可以用ps -aux | grep pid 查看进程状态

图片

一个进程在调用exit命令结束自己的生命的时候,其实它并没有真正的被销毁,而是留下一个称为僵尸进程(Zombie)的数据结构(系统调用exit,它的作用是使进程退出,但也仅仅限于将一个正常的进程变成一个僵尸进程,并不能将其完全销毁)。在Linux进程的状态中,僵尸进程是非常特殊的一种,它已经放弃了几乎所有内存空间,没有任何可执行代码,也不能被调度,仅仅在进程列表中保留一个位置,记载该进程的退出状态等信息供其他进程收集,除此之外,僵尸进程不再占有任何内存空间。这个僵尸进程需要它的父进程来为它收尸,如果他的父进程没有处理这个僵尸进程的措施,那么它就一直保持僵尸状态,如果这时父进程结束了,那么init进程自动会接手这个子进程,为它收尸,它还是能被清除的。但是如果如果父进程是一个循环,不会结束,那么子进程就会一直保持僵尸状态,这就是为什么系统中有时会有很多的僵尸进程。

试想一下,如果有大量的僵尸进程驻在系统之中,必然消耗大量的系统资源。但是系统资源是有限的,因此当僵尸进程达到一定数目时,系统因缺乏资源而导致奔溃。所以在实际编程中,避免和防范僵尸进程的产生显得尤为重要。

三:孤儿进程

一个父进程退出,而它的一个或多个子进程还在运行,那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养,并由init进程对它们完成状态收集工作。

子进程死亡需要父进程来处理,那么意味着正常的进程应该是子进程先于父进程死亡。当父进程先于子进程死亡时,子进程死亡时没父进程处理,这个死亡的子进程就是孤儿进程。

但孤儿进程与僵尸进程不同的是,由于父进程已经死亡,系统会帮助父进程回收处理孤儿进程。所以孤儿进程实际上是不占用资源的,因为它终究是被系统回收了。不会像僵尸进程那样占用ID,损害运行系统。

下来我们上代码看看:

#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
pid_t pid=fork();

if(pid==0)
{
printf("child ppid is %dn",getppid());
sleep(10); //为了让父进程先结束
printf("child ppid is %dn",getppid());
}
else
{
printf("parent id is %dn",getpid());
}

exit(0);
}

图片

从执行结果来看,此时由pid == 4168父进程创建的子进程,其输出的父进程pid == 1,说明当其为孤儿进程时被init进程回收,最终并不会占用资源,这就是为什么要将孤儿进程分配给init进程。

四:僵尸进程处理方式

任何一个子进程(init除外)在exit()之后,并非马上就消失掉,而是留下一个称为僵尸进程(Zombie)的数据结构,等待父进程处理。这是每个子进程在结束时都要经过的阶段。如果子进程在exit()之后,父进程没有来得及处理,这时用ps命令就能看到子进程的状态是“defunct”。如果父进程能及时处理,可能用ps命令就来不及看到子进程的僵尸状态,但这并不等于子进程不经过僵尸状态。如果父进程在子进程结束之前退出,则子进程将由init接管。init将会以父进程的身份对僵尸状态的子进程进行处理。所以孤儿进程不会占资源,僵尸进程会占用资源危害系统。我们应当避免僵尸进程的出现。

解决方式如下:

1):一种比较暴力的做法是将其父进程杀死,那么它的子进程,即僵尸进程会变成孤儿进程,由系统来回收。但是这种做法在大多数情况下都是不可取的,如父进程是一个服务器程序,如果为了回收其子进程的资源,而杀死服务器程序,那么将导致整个服务器崩溃,得不偿失。显然这种回收进程的方式是不可取的,但其也有一定的存在意义。

2):SIGCHLD信号处理

我们都知道wait函数是用来处理僵尸进程的,但是进程一旦调用了wait,就立即阻塞自己,由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出,如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程,wait就会收集这个子进程的信息,并把它彻底销毁后返回;如果没有找到这样一个子进程,wait就会一直阻塞在这里,直到有一个出现为止。我们先来看看wait函数的定义

#include /* 提供类型pid_t的定义,实际就是int型 */

#include

pid_t wait(int *status)

参数status用来保存被收集进程退出时的一些状态,它是一个指向int类型的指针。但如果我们对这个子进程是如何死掉的毫不在意,只想把这个僵尸进程消灭掉,(事实上绝大多数情况下,我们都会这样想),我们就可以设定这个参数为NULL,就象下面这样:pid=wait(NULL);如果成功,wait会返回被收集的子进程的进程ID,如果调用进程没有子进程,调用就会失败,此时wait返回-1,同时errno被置为ECHILD。

由于调用wait之后,就必须阻塞,直到有子进程结束,所以,这样来说是非常不高效的,我们的父进程难道要一直等待你子进程完成,最后才能执行自己的代码吗?难道就不能我父进程执行自己的代码,你子进程什么时候完成我就什么时候去处理你,不用一直等你?当然是有这种方式了。

实际上当子进程终止时,内核就会向它的父进程发送一个SIGCHLD信号,父进程可以选择忽略该信号,也可以提供一个接收到信号以后的处理函数。对于这种信号的系统默认动作是忽略它。我们不希望有过多的僵尸进程产生,所以当父进程接收到SIGCHLD信号后就应该调用 wait 或 waitpid 函数对子进程进行善后处理,释放子进程占用的资源。

下面是一个处理僵尸进程的简单的例子:

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

void deal_child(int num)
{
printf("deal_child inton");
wait(NULL);
}

int main()
{
signal(SIGCHLD,deal_child);
pid_t pid=fork();
int i;

if(pid==0)
{
printf("child is runningn");
sleep(2);
printf("child will endn");
}
else
{
sleep(1); //让子进程先执行
printf("parent is runningn");
sleep(10); //一旦被打断就不能再进入睡眠
printf("sleep 10 s overn");
sleep(5);
printf("sleep 5s overn");
}

exit(0);
}

进行测试后确定了是在父进程睡眠10s时子进程结束,父进程接收到了SIGCHLD信号,调用了deal_child函数,释放了子进程的PCB后又回到自己本身的代码中执行。我们看看运行结果

图片

说到这里,我们再来看看signal函数(不是阻塞函数)

signal(参数1,参数2);

参数1:我们要进行处理的信号。系统的信号我们可以再终端键入 kill -l查看(共64个)。其实这些信号是系统定义的宏。

参数2:我们处理的方式(是系统默认还是忽略还是捕获)。

eg: signal(SIGINT ,SIG_ING ); //SIG_ING 代表忽略SIGINT信号

eg:signal(SIGINT,SIG_DFL); //SIGINT信号代表由InterruptKey产生,通常是CTRL +C或者是DELETE。发送给所有ForeGroundGroup的进程。SIG_DFL代表执行系统默认操作,其实对于大多数信号的系统默认动作是终止该进程。这与不写此处理函数是一样的。

我们也可以给参数2传递一个信号处理函数的地址,但是这个信号处理函数需要其返回值为void,并且默认自带一个int类型参数

这个int就是你所传递的第一个信号参数的值(你用kill -l可以查看)

我们测试了一下,如果创建了5个子进程,但是销毁的时候仍然有两个仍是僵尸进程,这又是为什么呢?

这是因为当5个进程同时终止的时候,内核都会向父进程发送SIGCHLD信号,而父进程此时有可能仍然处于信号处理的deal_child函数中,那么在处理完之前,中间接收到的SIGCHLD信号就会丢失,内核并没有使用队列等方式来存储同一种信号

所以为了解决这一问题,我们需要调用waitpid函数来清理子进程。

void deal_child(int sig_no)

{

for (;;) {

if (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) == 0)

break;

}

}

这样的话,只有检验没有僵尸进程,他才会返回0,这样就可以确保所有的僵尸进程都被杀死了。

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