news 2026/7/7 11:55:09

【Linux下的cpp】进程

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
【Linux下的cpp】进程

Linux与cpp——进程

文章目录

  • Linux与cpp——进程
    • 信号
      • 设置程序对信号的处理：signal()
      • 信号类型
      • 发送信号函数kill()
      • 多进程和信号
    • 终止进程
    • 调用可执行程序
      • system()
      • exec()函数族
    • 创建进程
      • fork()创建子进程
    • 僵尸进程
    • 共享内存
      • 1. 创建/获取共享内存
      • 2. 连接共享内存到当前进程地址空间
      • 3. 从进程中分离共享内存
      • 4. 操作共享内存
      • 案例
    • 循环队列
    • 信号量
    • 生产消费者模型

本笔记中的进程→狭义中的Linux操作系统下运行的c++程序

信号

在Linux操作系统中，我们可以使用killall或kill命令向进程传递信号（用数值表示）。

# 以下的demo表进程killall-14demo# 查看进程是否存活killall-0demo

进程在接收到信号后会进行处理，有以下三种处理方式

  1. 默认 -> 终止进程（宏为SIG_DFL)
  2. 设置信号处理函数，收到信号后执行函数
  3. 忽略信号（宏为SIG_IGN）

设置程序对信号的处理：signal()

头文件：<unistd.h> <signal.h>

函数声明：sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

  • signum: 信号的编号
  • handler: 宏（SIG_DFL，SIG_IGN） OR 可调用对象
voidEXIT(intsig){...}intmain(){// 忽略全部的信号，防止程序被信号异常中止。for(intii=1;ii<=64;ii++)signal(ii,SIG_IGN);// 如果收到2和15的信号（Ctrl+c和kill、killall），本程序将主动退出。signal(2,EXIT);signal(15,EXIT);}

信号类型

常用信号类型

信号名信号值默认处理动作发出信号的原因
SIGHUP1A终端挂起或者控制进程终止
SIGINT2A键盘中断Ctrl+c
SIGQUIT3C键盘的退出键被按下
SIGILL4C非法指令
SIGABRT6C由abort(3)发出的退出指令
SIGFPE8C浮点异常
SIGKILL9AEF采用kill -9 进程编号 强制杀死程序。
SIGSEGV11CEF无效的内存引用（数组越界、操作空指针和野指针等）。
SIGPIPE13A管道破裂，写一个没有读端口的管道。
SIGALRM14A由闹钟alarm()函数发出的信号。可以用作定时器
SIGTERM15A采用“kill 进程编号”或“killall 程序名”通知程序。
SIGUSR110A用户自定义信号1
SIGUSR212A用户自定义信号2
SIGCHLD17B子进程结束信号
SIGCONT18进程继续（曾被停止的进程）
SIGSTOP19DEF终止进程
SIGTSTP20D控制终端（tty）上按下停止键
SIGTTIN21D后台进程企图从控制终端读
SIGTTOU22D后台进程企图从控制终端写
其它<=64A自定义信号

处理动作一项中的字母含义如下：

  • A 默认的动作是终止进程。
  • B 默认的动作是忽略此信号，将该信号丢弃，不做处理。
  • C 缺省的动作是终止进程并进行内核映像转储（core dump）。
  • D 缺省的动作是停止进程，进入停止状态的程序还能重新继续，一般是在调试的过程中。
  • E 信号不能被捕获。
  • F 信号不能被忽略。

发送信号函数kill()

等价kill/killall

声明int kill(pid_t pid, int sig)

  • sig指定信号（若为0，则没有任何信号送出，但系统会检查执行是否错误，常用于检查某个进程是否仍在运行）
  • pid指定进程
  • 作用：将指定的信号传给指定的进程
  • 返回值：成功0，失败-1，errno会被设置

参数pid:

  1. pid > 0代表具体的进程编号
  2. pid = 0将信号传给和当前进程相同进程组的所有进程。常用于父进程给（所有）子进程发送信号，且父进程也会收到。
  3. pid = -1将信号广播推送给系统内所有进程（系统关机时会用。）

多进程和信号

在多进程的服务程序中：

  • 如果子进程收到退出信号，子进程自行退出。
  • 如果父进程收到退出信号，则应该先向全部的子进程发送退出信号，然后自己再退出。
#include<iostream>#include<unistd.h>#include<signal.h>usingnamespacestd;voidFathEXIT(intsig);// 父进程的信号处理函数。voidChldEXIT(intsig);// 子进程的信号处理函数。intmain(){// 忽略全部的信号，不希望被打扰。for(intii=1;ii<=64;ii++)signal(ii,SIG_IGN);// 设置信号,在shell状态下可用 "kill 进程号" 或 "Ctrl+c" 正常终止些进程// 但请不要用 "kill -9 +进程号" 强行终止signal(SIGTERM,FathEXIT);signal(SIGINT,FathEXIT);// SIGTERM 15 SIGINT 2while(true){if(fork()>0)// 父进程的流程。{sleep(5);continue;}else// 子进程的流程。{// 子进程需要重新设置信号。signal(SIGTERM,ChldEXIT);// 子进程的退出函数与父进程不一样。signal(SIGINT,SIG_IGN);// 子进程不需要捕获SIGINT信号。while(true){cout<<"子进程"<<getpid()<<"正在运行中。\n";sleep(3);continue;}}}}// 父进程的信号处理函数。voidFathEXIT(intsig){// 以下代码是为了防止信号处理函数在执行的过程中再次被信号中断。signal(SIGINT,SIG_IGN);signal(SIGTERM,SIG_IGN);cout<<"父进程退出，sig="<<sig<<endl;kill(0,SIGTERM);// 向全部的子进程发送15的信号，通知它们退出。// 在这里增加释放资源的代码（全局的资源）。exit(0);}// 子进程的信号处理函数。voidChldEXIT(intsig){// 以下代码是为了防止信号处理函数在执行的过程中再次被信号中断。signal(SIGINT,SIG_IGN);signal(SIGTERM,SIG_IGN);cout<<"子进程"<<getpid()<<"退出，sig="<<sig<<endl;// 在这里增加释放资源的代码（只释放子进程的资源）。exit(0);}
运行中，不断创建子进程
执行杀死某个子线程：kill 14844
杀死父进程后

终止进程

可以用echo $?命令行查看进程终止状态

正常终止的线程值为0 ，非0都为异常状态

终止方式状态析构
return正常正常析构释放
exit()正常调用全局对象析构，局部不会调用
_exit()正常（了解）直接退出，无清理动作
_Exit()正常（了解）直接退出，无清理动作
abort()异常
接受信号异常

注：

atexit()函数

  • int atexit(void (*funtion)(void))

  • 登记终止函数，用于进程退出前的首尾工作

  • exit()调用终止函数的顺序与登记时相反

会先运行func2，再运行func1

调用可执行程序

在Cpp文件中调用Linux的可执行程序（如，命令行，另一个cpp程序等）

system()

声明：int system(const char * string)

  • “程序不存在” 或者 （成功但终止状态非0），返回非0
  • 成功且终止状态为0 ，返回0
// 等价于命令行 ls -l /tmpintret=system("/bin/ls -l /tmp");

exec()函数族

// 声明方式如下intexecl(constchar*path,constchar*arg,...);intexeclp(constchar*file,constchar*arg,...);intexecle(constchar*path,constchar*arg,...,char*constenvp[]);intexecv(constchar*path,char*constargv[]);intexecvp(constchar*file,char*constargv[]);intexecvpe(constchar*file,char*constargv[],char*constenvp[]);
  • 失败返回-1，失败原因存在errno中
  • 在A进程中使用exec调用程序B，则B将取代A进程的进程号、代码段、数据段和堆栈。换句话说，进程不会切换回A继续执行代码。
// 如下// 参数：运行程序，运行程序，选项，操作对象，0不能省略// 最后一个参数0不能省略。intret=execl("/bin/ls","/bin/ls","-lt","/tmp",0);

创建进程

查看进程树：pstree -p 进程编号（需要先安装psmisc）

获取进程ID

pid_tgetpid(void);// 获取当前进程的ID。pid_tgetppid(void);// 获取父进程的ID。

fork()创建子进程

fork()可以用于创建子进程，也就是父进程的副本。

fork()函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是子进程的进程ID。

  • 子进程和父进程执行内容一致，且都从fork()之后开始执行
  • 当子进程和父进程同时运行时，其顺序不确定（需要使用同步机制，来确保执行顺序正确）
  • 子进程将获得父进程的数据空间、堆栈的副本，但不是原本的那一份，虽然父子拥有的数据虚拟内存地址一致，但物理内存不一样。
  • 父子进程共享同一个文件偏移量（加入父进程在a.txt写入1000行数据，父进程在运行时创建了子进程，那么结束后，a.txt写入的内容将是2000行）
#include<iostream>#include<fstream>#include<unistd.h>usingnamespacestd;intmain(){ofstream fout;fout.open("/tmp/tmp.txt");// 打开文件。fork();for(intii=0;ii<10000000;ii++)// 向文件中写入一千万行数据。{fout<<"进程"<<getpid()<<"西施"<<ii<<"极漂亮"<<"\n";// 写入的内容无所谓。}fout.close();// 关闭文件。}

用法：

  1. 父进程复制自己，但执行不同代码（比如用if判断，copy过去的代码是一致的）
  2. 当进程需要执行(exec)另一个程序时。（可以理解为替身攻击，假设A需要使用exec()执行B程序，但exec()之后的代码不会继续执行，那么A可以fork出一个A’，由A’去执行B程序，那么A就可以执行完成自身代码。

vfork()

针对上述用法2，我们可以直接使用vfork()，vfork()不会复制父进程的地址空间，子进程会立即调用exec。

且，vfork()会保证子程序先运行，子程序调用exec或exit后，父进程才会恢复。

僵尸进程

通常指，子进程结束还没善后前，父进程已经结束，导致子进程的进程描述符还在系统中，依然占用资源。

产生的原因可能是：

  1. 父进程没有等待子进程结束并处理，就已经结束了。

避免方式：

  1. 子进程退出时，内核会向父进程发送SIGCHLD信号。父进程在创建子进程前表明signal(SIGCHLD,SIG_IGN)，即退其退出不感兴趣，那么子进程会退出后立刻释放。
  2. 父进程使用wait()/waitpid()等函数等待子进程结束，在子进程退出前，父进程将会阻塞等待。
// 通常使用这个， 返回值为子进程编号pid_twait(int*stat_loc);
  • stat_loc为子进程终止信息。
    • 宏WIFEXITED(stat_loc)判断是否正常终止
    • 宏WEXITSTATUS(stat_loc)会获取终止状态（正常为1，详见终止状态）
    • 宏WTERMSIG(stat_loc)可以获取终止进程的信号（如果该进程异常终止是由于信号造成的话）
  1. 若父进程任务繁忙，可以通过捕获SIGCHLD信号，在信号处理函数中调用wait()/waitpid()进行处理

实例1：演示第二种避免方式的check

#include<iostream>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>usingnamespacestd;intmain(){if(fork()>0){// 父进程的流程。intsts;pid_t pid=wait(&sts);cout<<"已终止的子进程编号是："<<pid<<endl;if(WIFEXITED(sts)){cout<<"子进程是正常退出的，退出状态是："<<WEXITSTATUS(sts)<<endl;}else{cout<<"子进程是异常退出的，终止它的信号是："<<WTERMSIG(sts)<<endl;}}else{// 子进程的流程。// sleep(100);// 以下两种写法会引起异常终止11// int *p = 0;// *p = 10;cout<<1<<endl;exit(1);}}

实例2：演示第三种避免方式

#include<iostream>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>usingnamespacestd;voidfunc(intsig)// 子进程退出的信号处理函数。{intsts;pid_t pid=wait(&sts);cout<<"已终止的子进程编号是："<<pid<<endl;if(WIFEXITED(sts)){cout<<"子进程是正常退出的，退出状态是："<<WEXITSTATUS(sts)<<endl;}else{cout<<"子进程是异常退出的，终止它的信号是："<<WTERMSIG(sts)<<endl;}}intmain(){signal(SIGCHLD,func);// 捕获子进程退出的信号。if(fork()>0){// 父进程的流程。while(true){cout<<"父进程忙着执行任务。\n";sleep(1);}}else{// 子进程的流程。sleep(5);// int *p=0; *p=10;exit(1);}}
使用killall bodythread即可退出

共享内存

多线程可以通过全局变量来共享/传递数据，多进程通过共享内存来共享和传递数据。

  • 共享内存只能使用内置数据类型
  • 共享内存不能使用STL
  • 共享内存不能使用move语义

1. 创建/获取共享内存

函数声明：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

  • key（十六进制整数）：共享内存键值
  • size：共享内存的大小，以字节为单位。
  • shmflg: 共享内存的访问权限(与文件的权限一样)
    • 例0666：全用户可读写
    • 例IPC_CREAT：不存在则创建。
  • 返回值：成功返回共享内存的id（非负整数）， 失败返回-1（通常由于内存不足，没有权限）

tips: 可以使用ipcs -m查看系统共享内存，ipcs -m sm_id手工删除该共享内存

2. 连接共享内存到当前进程地址空间

声明:void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

  • shmid：共享内存id（由shmget()函数返回的共享内存标识）
  • shmaddr：指定连接地址，通常填0（表系统自动选择连接地址）
  • shmflg:标志位，通常填0
  • 返回：成功则返回连接起始地址，失败返回(void*)-1

3. 从进程中分离共享内存

声明：int shmdt(const void *shmaddr);

  • shamddr： 分离地址
  • 返回：成功返回0，失败返回-1

4. 操作共享内存

最常用操作是删除

声明：int shmctl(int shmid, int command, struct shmid_ds *buf);

  • shmid: 共享内存id
  • command: 操作指令
    • 删除：IPC_RMID
  • buf: 操作的共享内存的地址
    • 如果要删除，填0。
  • 返回：成功（0），失败（-1）

案例

创建一个共享内存连接当前进程，更改共享内存内容，然后断开连接并释放。

#include<iostream>#include<cstdio>#include<cstdlib>#include<cstring>#include<unistd.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>usingnamespacestd;// super girl 结构体structstgirl{intno;// 编号charname[51];// 姓名，不能用string(其实是不支持STL容器，因为会调用堆内存，我们这里暂时不要涉及)};intmain(intargc,char*argv[]){if(argc!=3){cout<<"Using: ./spgirl no name\n";return-1;}// 1. 创建共享内存，intshmid=shmget(0x5005,sizeof(stgirl),0640|IPC_CREAT);if(shmid==-1){cout<<"shmget(0x5005) failed.\n";return-1;}cout<<"shmid="<<shmid<<endl;// 2. 把共享内存连接到当前进程的地址空间stgirl*ptr=(stgirl*)shmat(shmid,0,0);// 连接失败返回-1if(ptr==(void*)-1){cout<<"shmat() failed\n";return-1;}// 3. 使用共享内存，对共享内存进行读/写cout<<"原值：no="<<ptr->no<<",name="<<ptr->name<<endl;// 显示共享内存中的原值。ptr->no=atoi(argv[1]);// 对超女结构体的no成员赋值。strcpy(ptr->name,argv[2]);// 对超女结构体的name成员赋值cout<<"新值：no="<<ptr->no<<",name="<<ptr->name<<endl;// 显示共享内存中的当前值。// 4. 把共享内存从当前进程分离shmdt(ptr);// 5. 删除共享内存if(shmctl(shmid,IPC_RMID,0)==-1){cout<<"shmctl failed\n";return-1;}return0;}
运行效果

循环队列

循环队列即数据结构中的循环队列，有一个头指针和一个尾指针，维护一个队列容器。

有空的时候可以手写一个循环队列。

注意：当循环队列和共享内存结合使用时，一定要额外定义初始化函数，因为在共享内存分配循环队列对象时，并不会调用构造函数。且类型不能为STL容器，需要为内置类型

信号量

用于多进程同步机制。

P 加锁（减值）

V 解锁（加值）

生产消费者模型

没什么不同，只是用法上复杂了一点，用到了共享内存。

但因为本章探讨的是进程同步，那么需要用到POSIX共享内存和信号量。

生产者代码

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