linux程序管理

小小的番茄發表於2024-12-01

Linux

Linux程序管理

程序的定義與特徵

程序的定義

程式：是靜態的，就是個存放在磁碟裡的可執行檔案，就是一系列的指令集合。

程序：是動態的，是程式的一次執行過程。

程序的組成--PCB

一個程式檔案program，只是一堆待執行的程式碼和部分待處理的資料，他們只有被載入到記憶體中，然後讓CPU逐條執行其程式碼，根據程式碼做出相應的動作，才形成一個真正“活的”、動態的程序process，因此程序是一個動態變化的過程，而程式檔案只是這一系列動作的原始藍本，是一個靜態的劇本。

當程序被建立時，作業系統會為該程序分配一個** 唯一的 ** , ** 不重複 ** 的“身份證號”--PID。

程序識別符號(process identifier)

用於區分系統中的其他程序，這個PID也是Linux核心提供給使用者訪問程序的一個介面，使用者可以透過PID控制程序。

PCB --ProcessControl Block

ELF格式的程式被執行時，核心中實際上產生了一個叫task_struct{}的結構體來表示這個程序。程序是一個“活動的實體”，這個活動的實體從一開始誕生就需要各種各樣的資源以便於生存下去，比如記憶體資源、CPU資源、檔案、訊號、各種鎖資源等，所有這些東西都是動態變化的，這些資訊都被事無鉅細地一一記錄在結構體task_struct之中，所以這個結構體也常常被成為程序控制塊（PCB，即Process Control Block）。該結構體被定義在一個名稱叫做sched.h的標頭檔案中。

** PCB是程序存在的唯一標誌 **

程序是作業系統分配資源的基本單位！
**作業系統是以程序為單位來分配系統資源的，比如記憶體空間、CPU使用權等。 **
**執行緒是作業系統排程資源的最小單位！ **
程序包含執行緒！

PCB是給作業系統用的。
程式段和資料段是給程序自己用的。

程序的特徵

併發性：併發性指的是多個程序實體可以同時存在於記憶體中，並在一段時間內同時執行。這是程序的重要特徵，也是作業系統的關鍵特性之一。例如，多個應用程式可以同時執行，共享計算機資源。
動態性：程序的實質是程式的一次執行過程。因此，程序是動態產生和動態消亡的。每個程序都有自己的生命週期，從建立到終止。
獨立性：程序實體是一個獨立執行、獨立分配資源和獨立接受排程的基本單位。每個程序都有自己的記憶體空間、暫存器和其他資源。這使得程序之間相互隔離，不會相互干擾。
非同步性：程序按照各自獨立的、不可預知的速度向前推進。這意味著不同程序之間的執行是非同步的，它們不會嚴格按照某個固定的順序執行。例如，一個程序可能在等待使用者輸入時暫停，而另一個程序繼續執行

Linux 系統檢視程序pid的shell命令

ps -ef ps -aux 檢視所有使用者的相關程序的所有訊息

程序的狀態與轉換

新建態（New）：程序剛剛被建立，但還沒有被作業系統排程執行。在這個狀態下，作業系統會為程序分配必要的資源，例如記憶體空間和識別符號。
就緒態（Ready）：程序已經準備好執行，等待被作業系統排程到CPU上執行。在這個狀態下，程序已經被新增到可執行程序佇列中，但還沒有獲得CPU的使用權。
執行態（Running）：程序正在被CPU執行。它佔有處理器，其程式正在執行。在單處理機系統中，只有一個程序處於執行狀態；在多處理機系統中，可能有多個程序處於執行狀態。
阻塞態（Blocked）：程序因為某些原因（例如等待I/O操作完成、等待資源等）而暫時無法繼續執行，被阻塞。在這個狀態下，程序不會佔用CPU資源，但會等待外部事件的發生。
- 可中斷等待狀態：程序可以被訊號量或中斷喚醒，一旦資源有效，程序會立即進入就緒狀態。
- 不可中斷等待狀態：程序不能被訊號量或中斷喚醒，只有當它申請的資源有效時才能被喚醒。這種狀態通常用於核心中某些場景，例如磁碟讀寫時的DMA操作。
終止態（Terminated）：程序因某種原因而中止執行，佔有的所有資源將被回收。
- 系統對其不再予以理睬，也稱為“僵死狀態”。程序則成為殭屍程序。

程序控制

程序控制是對系統中所有程序從建立、執行到撤銷的全過程實行有效的管理和控制。

程序控制一般是由作業系統核心的相應程式(原語)來實現。通常，作業系統核心執行在系統態。

原語

原語是由若干條指令組成的，用於完成特定功能的，具有原子性（不可分割）的子程式。它與一般過程的區別：它們是原子操作（Action Operation）為保證操作的正確性，原語在執行期間是不可被中斷的。因此，規定在執行原語操作時要遮蔽中斷，以保證原語操作的不可分割性。

用於程序控制過程中的原語有：

建立原語（Create）、撤銷原語（Termination）
阻塞原語（Block）、喚醒原語（Wakeup）
掛起原語（Suspend）、啟用原語（Active）

程序的建立

函式名稱	`fork()`
標頭檔案	`#include <unistd.h>`
原型	`pid_t fork(void);`
返回值	- 成功：在父程序中返回大於0的正整數，表示子程序的PID。 - 成功：在子程序中返回0。 - 失敗：返回-1，表示建立子程序失敗。
備註	- `fork()` 執行成功後，會生成一個新的子程序。 - 在新的子程序中，`fork()` 返回值為0。 - 在原來的父程序中，`fork()` 返回值為大於0的正整數，即子程序的PID。

fork() 函式的作用：

fork()會使得程序本身被複制，類似細胞分裂。因此，被建立出來的子程序和父程序幾乎是一模一樣的。但需要注意的是，子程序並不是100%父程序的影印件，具體關係如下：
- 父子程序的以下屬性在建立之初完全一樣，子程序相當於搞了一份複製品：
  - 實際 UID 和 GID，以及有效 UID 和 GID。
  - 所有環境變數。
  - 程序組 ID 和會話 ID。
  - 當前工作路徑（除非使用 chdir() 進行修改）。
  - 開啟的檔案。
  - 訊號響應函式。
  - 整個記憶體空間，包括棧、堆、資料段、程式碼段、標準 I/O 的緩衝區等等。
- 而以下屬性，父子程序是不一樣的：
  - 程序號 PID。PID 是身份證號碼，哪怕親如父子，也要區分開。
  - 記錄鎖。如果父程序對某檔案加了鎖，子程序不會繼承這把鎖。
  - 掛起的訊號。這些訊號是所謂的“懸而未決”的訊號，等待著程序的響應，子程序也不會繼承這些訊號。
子程序的執行：
- 子程序會從 fork() 返回值後的下一條邏輯語句開始執行。這樣就避免了不斷呼叫 fork() 而產生無限子孫的悖論。

父子程序的關係：

父子程序是相互平等的：他們的執行次序是隨機的，或者說他們是併發執行的，除非使用特殊機制來同步他們，否則你不能判斷他們的執行究竟誰先誰後。
父子程序是相互獨立的：由於子程序完整地複製了父程序的記憶體空間，因此從記憶體空間的角度看，他們是相互獨立、互不影響的。
獲取當前程序PID的函式介面getpid()，獲取當前程序的父程序PID的函式介面是getppid()

示例：

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
	int fd = 3; // 父程序的資料段

	//建立子程序，呼叫fork函式的時候就已經建立子程序
	pid_t child_pid = fork(); 

	//透過fork函式的返回值分析父程序 or 子程序
	if (child_pid > 0)
	{
		//說明是父程序的程序空間
		printf("my is parent,my pid = %d,my child pid = %d\n",getpid(),child_pid);

	}
	else if( child_pid == 0)
	{
		//說明是子程序的程序空間
		printf("my is child,my pid = %d,my parent pid = %d\n",getpid(),getppid());
	}
	else
	{
		printf("child process fork error\n");
		return -1;
	}

	return 0;

}

由於父子程序的併發性，以上程式的執行效果是不一定的。

程序的撤銷

功能	等待子程序結束
標頭檔案	`#include <sys/wait.h>`
原型	`pid_t wait(int stat_loc);` `pid_t waitpid(pid_t pid, int stat_loc, int options);`
引數	- `pid`： - 小於-1：等待組ID的絕對值為pid的程序組中的任一子程序。 - -1：等待任一子程序。 - 0：等待呼叫者所在程序組中的任一子程序。 - 大於0：等待程序組ID為pid的子程序。 - `stat_loc`：子程序退出狀態。 - `options`： - `WCONTINUED`：報告任一從暫停態出來且從未報告過的子程序的狀態。 - `WNOHANG`：非阻塞等待。 - `WUNTRACED`：報告任一當前處於暫停態且從未報告過的子程序的狀態。
返回值	- `wait()`： - 成功：退出的子程序PID。 - 失敗：-1。 - `waitpid()`： - 成功：狀態發生改變的子程序PID（如果`WNOHANG`被設定，且由pid指定的程序存在但狀態尚未發生改變，則返回0）。 - 失敗：-1。
備註	如果不需要獲取子程序的退出狀態，`stat_loc`可以設定為`NULL`。

所謂的退出狀態不是退出值，退出狀態包括了退出值。如果使用以上兩個函式成功獲取了子程序的退出狀態，則可以使用以下宏來進一步解析

宏	含義
`WIFEXITED(status)`	如果子程序正常退出，則該宏為真。
`WEXITSTATUS(status)`	如果子程序正常退出，則該宏將獲取子程序的退出值。
`WIFSIGNALED(status)`	如果子程序被訊號殺死，則該宏為真。
`WTERMSIG(status)`	如果子程序被訊號殺死，則該宏將獲取導致他死亡的訊號值。
`WCOREDUMP(status)`	如果子程序被訊號殺死且生成核心轉儲檔案（`coredump`），則該宏為真。
`WIFSTOPPED(status)`	如果子程序的被訊號暫停，且option中`WUNTRACED`已經被設定時，則該宏為真。
`WSTOPSIG(status)`	如果`WIFSTOPPED(status)`為真，則該宏將獲取導致子程序暫停的訊號值。
`WIFCONTINUED(status)`	如果子程序被訊號`SIGCONT`重新置為就緒態，該宏為真。
status是一個出參，由作業系統為其賦值，使用者可以傳遞NULL值表示不關心，而如果傳入引數，作業系統就會根據該引數，將子程序的退出資訊反饋給父程序，由status最終被賦予的值來體現。

可以看出，不論是正常退出還是異常退出，status的高8個位元位（只討論低16個位元位）都表示子程序的退出碼，而這個退出碼一般是return的返回值或者exit的引數；正常退出時，status的低8個位元位為全0；而異常退出時，其第8個位元位則為core dump標誌位，用來標誌是否會有core dump檔案產生，而低7個位元位則是退出訊號。

可以透過位運算判斷是否正常退出，是否產生core dump檔案。

示例：

child_elf.c

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

int main(void)

{
    printf("[%d]:yep,I am the child\n", (int)getpid());
    exit(0);
}

wait.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h> // 包含 wait 函式的宣告
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char** argv) {
    pid_t x = fork();

    if (x == 0) { // 子程序，執行指定程式 child_elf
        execl("./child_elf", "child_elf", NULL);
    }

    if (x > 0) { // 父程序，使用 wait() 阻塞等待子程序的退出
        int status;
        wait(&status);

        if (WIFEXITED(status)) { // 判斷子程序是否正常退出
            printf("child exit normally, exit value: %hhu\n", WEXITSTATUS(status));
        }

        if (WIFSIGNALED(status)) { // 判斷子程序是否被訊號殺死
            printf("child killed by signal: %u\n", WTERMSIG(status));
        }
    }

    return 0;
}

父程序使用 wait() 阻塞等待子程序的退出狀態。如果子程序正常退出，我們獲取其退出值；如果子程序被訊號殺死，我們獲取導致其死亡的訊號值。

程序的執行

也可以叫程式的替換。

程序程式替換與fork不同，它並不會建立新的程序，而是該程序的使用者空間程式碼和資料完全被新程式替換,從新程式的啟動例程開始執行。替換前後的程序號並未改變。

功能	在程序中載入新的程式檔案或者指令碼，覆蓋原有程式碼，重新執行
標頭檔案	`<unistd.h>`
原型	`int execl(const char path, const char arg, ...);` `int execv(const char path, char const argv[]);` `int execle(const char path, const char arg, ..., char const envp[]);` `int execlp(const char file, const char arg, ...);` `int execvp(const char file, char const argv[]);` `int execvpe(const char file, char const argv[], char const envp[]);`
引數	- `path`：即將被載入執行的ELF檔案或指令碼的路徑 - `file`：即將被載入執行的ELF檔案或指令碼的名字 - `arg`：以列表方式羅列的ELF檔案或指令碼的引數 - `argv`：以陣列方式組織的ELF檔案或指令碼的引數 - `envp`：使用者自定義的環境變數陣列
返回值	成功不返回失敗返回 -1
備註	1. 函式名帶字母 `l` 意味著其引數以列表（list）的方式提供。 2. 函式名帶字母 `v` 意味著其引數以向量（vector）陣列的方式提供。 3. 函式名帶字母 `p` 意味著會利用環境變數 `PATH` 來找尋指定的執行檔案。 4. 函式名帶字母 `e` 意味著使用者提供自定義的環境變數。

功能	在子程序中執行一個 shell 命令，然後返回
標頭檔案	`<stdlib.h>`
原型	`int system(const char *command);`
引數	- `command`：要執行的 shell 命令字串。如果 `command` 為 `NULL`，則返回 shell 是否存在的狀態
返回值	- 如果 `command` 為 `NULL`： - 返回 0：沒有可用的 shell - 返回非 0 值：有可用的 shell - 如果 `command` 不為 `NULL`： - 成功：返回 shell 的退出狀態碼 - 失敗：返回 -1，並設定 `errno`
備註	1. `system` 函式使用 `/bin/sh` 來執行命令。 2. 在呼叫 `system` 之前，會忽略 `SIGINT` 和 `SIGQUIT` 訊號，並且阻塞 `SIGCHLD` 訊號。 3. 如果在 `system` 呼叫期間捕獲到訊號，shell 的退出狀態可能會受到影響。

示例：

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

int main(int argc, char const *argv[]) {
    // 建立子程序，呼叫fork函式的時候就已經建立子程序
    pid_t child_pid = fork();

    // 透過fork函式的返回值分析父程序或子程序
    if (child_pid > 0) {
        // 父程序的程序空間
        printf("my is parent, my pid = %d, my child pid = %d\n", getpid(), child_pid);
        wait(NULL); // 會阻塞，當第一個子程序狀態改變時，該函式可以解除阻塞
    } else if (child_pid == 0) {
        // 子程序的程序空間
        printf("my is child, my pid = %d, my parent pid = %d\n", getpid(), getppid());
        
        // 打算讓子程序載入新的程式碼段和資料段，也就是讓子程序執行新的可執行檔案
        //execl（"./demo","demo",NULL);
        system("./demo"); // 使用system呼叫執行新的可執行檔案 demo
        
    } else {
        // fork失敗
        printf("child process fork error\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

程序的終止

功能	退出本程序
標頭檔案	`<unistd.h>` `<stdlib.h>`
原型	`void _exit(int status);` `void exit(int status);`
引數	`status`：子程序的退出值 - 如果子程序正常退出，則 `status` 一般為0。 - 如果子程序異常退出，則 `status` 一般為非0。
返回值	不返回
備註	- `exit()` 函式退出時會自動沖洗（flush）標準IO緩衝區的殘留資料到核心，如果程序註冊了退出處理函式，還會自動執行這些函式。 - `_exit()` 函式直接退出，不執行任何清理操作。 - 除了\n（換行）以及exit()函式會重新整理緩衝區之外，也可以呼叫`fflush()`來強制重新整理緩衝區

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

int main() {
    int status;

    printf("父程序開始執行。\n");

    // 建立子程序
    pid_t child_pid = fork();

    if (child_pid == -1) {
        // 建立子程序失敗
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (child_pid == 0) {
        // 子程序
        printf("子程序正在執行，PID：%d\n", getpid());

        // 模擬一個錯誤條件
        int result = 5 / 0;  // 這會導致除以零異常

        // 檢查除法是否成功
        if (result != 0) {
            // 如果發生錯誤，以狀態碼 1 退出
            printf("子程序遇到錯誤。\n");
            exit(1);
        } else {
            // 如果成功，以狀態碼 0 退出
            printf("子程序成功執行。\n");
            exit(0);
        }
    } else {
        // 父程序
        printf("父程序等待子程序結束，子程序PID：%d\n", child_pid);
        wait(&status);  // 等待子程序結束

        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("子程序以狀態碼 %d 正常退出。\n", WEXITSTATUS(status));
        } else {
            printf("子程序未正常退出。\n");
        }

        printf("父程序結束。\n");
    }

    return 0;
}

錯誤處理 (補充)

fprintf(stderr, "open user.txt fail, error = %d, %s\n", errno, strerror(errno));

fprintf: 這個函式用於向流中寫入格式化的輸出。在這個例子中，它將格式化的訊息寫入標準錯誤流（stderr）。
"open user.txt fail, error = %d, %s\n": 這是格式字串。它包含了將要插入字串的佔位符。具體來說：
- %d 是一個整數值的佔位符（在這個例子中，是 errno 的值）。
- %s 是一個字串值的佔位符（在這個例子中，是 strerror(errno) 的結果）。
errno: 這個全域性變數儲存了最後一個失敗的系統呼叫的錯誤程式碼。當發生錯誤時，系統呼叫和庫函式會設定這個變數。
strerror(errno): 這個函式接受一個錯誤號（如 errno），並返回一個人類可讀的描述錯誤的字串。它將錯誤程式碼轉換為有意義的錯誤訊息。

示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {
    // 1. 開啟檔案
    int file_fd = open("./user.txt", O_RDWR | O_CREAT);
    if (file_fd == -1) {
        fprintf(stderr, "open user.txt fail, error = %d, %s\n", errno, strerror(errno));
        return -1;
    }

    // 2. 對檔案進行寫入
    write(file_fd, "hello world", 11);

    lseek(file_fd,0,SEEK_SET);  //將游標偏移到開頭

    // 3. 從文字中讀取資料
    char recv_buf[11] = {0};
    read(file_fd, recv_buf, 11);
    printf("read from user.txt data is [%s]\n", recv_buf);

    // 4. 關閉檔案
    close(file_fd);

    return 0;
}

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