Linux操作系统实验十一 进程管理（下）

任务描述

fork()函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程。那么，进程中的变量父进程和子进程是否都能使用并修改呢？

围绕问题的提出，我们尝试在父子进程中都修改同一个文件中的内容，最终将文件内容输出，便可知晓答案。

下面我们通过学习相关知识并编写代码来测试你的猜想是否正确。

相关知识

Linux 进程中的几个状态：

• R 运行状态 (runing)，并不意味着进程一定在运行中，也可以在运行队列里
• S 睡眠状态 (sleeping)，进程在等待事件完成（浅度睡眠，可以被唤醒）
• D 磁盘睡眠状态 (Disk sleep)，不可中断睡眠（深度睡眠，不可以被唤醒，通常在磁盘写入时发生）
• T 停止状态 (stopped)，可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止进程，可以发送 SIGCONT 信号让进程继续运行
• Z 僵尸状态 (zombie)，子进程退出，父进程还在运行，但是父进程没有读到子进程的退出状态，子进程进入僵尸状态

为了完成本关任务，你需要掌握：1. 如何创建进程；2.fork()函数的执行步骤。

进程的创建

在使用创建进程函数前，我们需要先导入unistd.h库。

创建进程的函数原型是：pid_t fork(void)；

例如：

1. pid_t pid = fork();

pid_t是一个整数类型，即fork()函数会返回新进程的 ID 号（0~32768的整数）。fork函数在父进程中返回子进程的pid，在子进程中返回0。

注意在子进程中返回的0，并不是子进程的pid，子进程的pid在父进程的返回值中保存。而子进程的返回值是为了标识它是子进程，用来区分父子进程的。

父子进程的注意事项：

1. 新进程是当前进程的子进程。
2. 父进程和子进程 ①父进程：fork()的调用者； ②子进程：新建的进程。
3. 子进程是父进程的复制（相同的代码，相同的数据，相同的堆栈），除了 ID 号和时间信息外，两者完全相同。
4. 子进程和父进程可以并发运行。

fork()函数的执行步骤

由于子进程是父进程的复制，所以子进程中也会有创建子进程的语句，如果不加以限制，就会形成递归创建，但实际上并不是这样的。

实际流程是：父进程创建了子进程后，子进程中“创建进程”语句不再执行，并发运行其他语句。

在 Linux 的源码中我们可以找到fork函数：

1. ...
2. copy_files(clone_flags,p);    //克隆文件
3. copy_fs(clone_flags,p);       //克隆文件系统
4. copy_mm(clone_flags,p);       //克隆内存信息
5. ...

我们可以看到有三条语句，用于拷贝进程的所有信息，这也解释了为什么说子进程是父进程的复制。

编程要求

通过提示，在右侧编辑器中补充代码，完成在指定文件中添加内容，具体要求如下：

1. 创建进程；
2. 父进程向文件中添加hello 和 world！；
3. 子进程向文件中添加hello 和 welcome！；
4. 只需修改文件内容即可，平台将为你输出文件内容。

提示：fork()函数的返回值为0时则为子进程。

测试说明

平台会对你编写的代码进行测试：

预期输出： hello world!hello welcome!

任务描述

Linux 中，init进程（初始化进程）是所有其他进程的父进程，那么是不是说就所有的进程都执行与init进程相同的功能了呢？

答案当然不是，Linux 中某些子进程和父进程的执行并不是完全相同的。他们是如何做到的呢？

下面我们就一起来学习进程的加载。

相关知识

为了完成本关任务，你需要掌握如何加载非父进程的进程。

exec函数族

Linux 中exec函数族，它是若干函数的集合。exec 函数族的作用是根据指定的文件名或目录名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容。换句话说，其功能是让子进程具有和父进程完全不同的新功能。

exec本身并非一个函数，是指一组函数，一共有6种在进程中启动另一个程序的方法：

1. int execl(const char *path, const char *arg, ...);
2. int execv(const char *path, char *const argv[]);
3. int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
4. int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
5. int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
6. int execvp(const char *file, char *const argv[]);

exec函数族的6个函数看起来十分复杂，实际上无论是作用还是用法都十分相似，他们的命名规则：

• l和v表示参数是以列表还是以数组的方式提供，且都必须以NULL结尾；
• **p**代表在path环境变量中搜索file文件；
• e表示该函数取envp[]数组，而不使用当前环境，即为程序提供新环境变量，一般很少使用。

进程调用一种 exec 函数时，该进程完全由新程序替换，而新程序则从其 main 函数开始执行。exec只是用磁盘上的一个新程序替换了当前进程的正文段，数据段，堆段和栈段。并没有创建新进程，所以进程的 ID 是不变的。

注意： 一旦exec函数执行成功，它就不会返回了，进程结束。但是如果exec函数执行失败, 它会返回失败的信息，并且进程继续执行后面的代码！执行失败的话，必须用exit()函数来让子进程退出！（exit函数调用需导入stdlib.h库函数）

进程加载

我们使用execl()函数来做示例：

1. int execl(const char *path, const char *arg, ...)

函数参数说明： path：要执行的程序路径。可以是绝对路径或者是相对路径。在execv、execve、execl和execle这4个函数中，使用带路径名的文件名作为参数。 arg：程序的第0个参数，即程序名自身。相当于argv[O]。 …：命令行参数列表。调用相应程序时有多少命令行参数，就需要有多少个输入参数项。最后应该以NULL结尾，表明命令行参数结束。

返回值：-1表明调用exec失败，无返回表明调用成功。

1. #include <unistd.h>
2. int main()
3. {
4.    printf("before exec\n");
5.    execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", "-h", NULL);
6.    //若 execl() 执行成功，下面则不执行，因为当前进程已经被执行的 ls 替换了
7.    printf("after exec\n");
8.    return 0;
9. }

执行语句说明： /bin/ls：外部程序，这里是/bin目录的ls可执行程序，必须带上路径（相对或绝对） ls：没有意义，如果需要给这个外部程序传参，这里必须要写上字符串，至于字符串内容任意 -a，-l，-h：给外部程序ls传的参数 NULL：代表给外部程序 ls 传参结束

执行结果：

编程要求

在右侧编辑器补充代码，要求如下：

1. 创建进程；
2. 在父进程中输出entering main process---；
3. 在子进程中使用execl()函数调用src/step2/hello.c文件，测试环境中已将path置为src/step2，因此带路径的文件名为./hello

测试说明

平台会对你编写的代码进行测试：

预期输出： entering main process---Hello exec! This is another task。

任务描述

学习完进程的创建和加载，我们发现系统都是先执行父进程的内容再执行子进程，那么有什么方法可以使子进程先执行，父进程后执行的吗？

通过学习相关知识，我们需要编写一个先执行子进程内容后执行父进程内容的程序。

相关知识

为了完成本关任务，你需要掌握：1. 系统进程退出方法；2.系统进程等待方法。

进程退出

进程常见退出方式：

1.正常退出：从main()函数中返回return退出；调用exit()函数退出；调用_exit()函数退出。

2.异常退出：由信号终止；调用abort函数。

• return：是常见的退出进程方式，main函数中执行return等同于执行exit函数，main函数中return n；函数返回值作为exit(n)函数的参数。
• exit()：进程结束执行时调用，完成进程资源回收。函数原型：void exit(int status); 包含在stdlib.h库中，参数status为进程的终止状态，父进程可以通过wait()获取。exit(0)表示正常退出，exit(n)其中n不为0都表示异常退出。
• _exit()：正常退出的方式最终都会调用_exit()函数。函数原形：void _eixt(int status); 包含在unistd.h库中，参数同exit函数。

进程等待

创建子进程后如果父进程不等待，子进程退出后就会变成僵尸进程，直到父进程来获取退出信息才会释放剩余资源，并且此时该进程无法被信号杀死，继续占用资源造成内存泄露。因此，我们需要父进程调用等待函数来避免出现僵尸进程，进程等待函数是为了配合子进程的exit()，进而实现释放子进程资源。

进程等待方式，使用前需导入sys/wait.h库：

• wait() 是一个阻塞式等待，必须等到有一个子进程退出后获取退出状态，释放资源才可以返回。

1. pid_t wait(int * status);

返回值： 退出的子进程的pid，失败返回-1。

参数： 输出型参数，用于获取子进程退出状态码，不关心可以置为NULL。

• waitpid() 是一个指定pid的等待方式。

1. pid_t waitpid(pid_t pid, int * status, int options);

返回值： 返回退出进程的pid，当调用失败(没有子进程)返回-1。可以通过perror函数进行打印错误。

参数:pid：pid=-1表示等待任一进程；pid=n则n为指定需要等待的子进程，若n<0则等待和其绝对值的相同的子进程；pid=0表示等待和进程组pid相同的进程。

status：同wait函数参数status相同。

options：选项参数，options=0表示和wait()一样的阻塞等待；options=WNOHANG表示不阻塞，如果没有退出的进程或者需要等待的子进程将直接返回0，另外这个参数还可以设置成其它属性。

编程要求

根据提示，在右侧编辑器补充代码，创建两个子进程，第一个进程打印I am first process!，第二个进程打印I am second process!，父进程打印I am father process!。

要求实现先打印第一个进程内容，再打印第二个进程内容，最后打印父进程内容。

提示：进程加载execl函数调用输出用法execl("/bin/echo","echo", "输出语句", NULL);

测试说明

平台会对你编写的代码进行测试：

预期输出： I am first process!I am second process!I am father process!