高并发reactor服务器[中]

四、进程控制和进程同步

1.信号

1.1 信号的基本概念

信号（signal）是软件中断，是进程之间相互传递消息的一种方法，用于通知进程发生了事件，但不能给进程传递任何数据。

信号产生的原因有很多，在Shell中，可以用kill和killall命令发送信号：

kill -信号的类型 进程编号
killall -信号的类型 进程名

1.2 信号的类型

信号名	信号值	默认处理动作	发出信号的原因
SIGHUP	1	A	终端挂起或者控制进程终止
SIGINT	2	A	键盘中断 Ctrl+c
SIGQUIT	3	C	键盘的退出键被按下
SIGILL	4	C	非法指令
SIGTRAP	5	C	断点指令
SIGABRT	6	C	由abort(3)发出的中止信号
SIGBUS	7	C	总线错误
SIGFPE	8	C	浮点异常
SIGKILL	9	A	kill -9 杀死进程,该信号不能被捕获和忽略
SIGUSR1	10	A	用户定义信号1
SIGSEGV	11	C	无效的内存引用（数组越界、操作空指针）
SIGUSR2	12	A	用户定义信号2
SIGPIPE	13	A	向一个无读进程的管道写数据
SIGALRM	14	A	闹钟信号,由alarm()函数发出的信号
SIGTERM	15	A	终止信号,默认发送的信号
SIGSTKFLT	16	A	栈错误
SIGCHLD	17	B	子进程结束时发出
SIGCONT	18	D	继续执行已经停止的进程
SIGSTOP	19	D	停止进程
SIGTSTP	20	D	终端按下停止键
SIGTTIN	21	D	后台进程请求读终端
SIGTTOU	22	D	后台进程请求写终端
SIGURG	23	B	紧急条件检测（套接字）
SIGXCPU	24	C	超出CPU时间限制
SIGXFSZ	25	C	超出文件大小限制
SIGVTALRM	26	A	虚拟时钟信号
SIGPROF	27	A	分析时钟信号
SIGWINCH	28	B	窗口大小变化
SIGPOLL	29	B	轮询（Sys V）
SIGPWR	30	A	电源故障
SIGSYS	31	C	非法系统调用

A的缺省动作是终止进程。

B的缺省动作是忽略此信号。

C的缺省动作是终止进程并进行内核映像转储。

D的缺省动作是停止进程，进入停止状态的程序还能重新继续执行。

1.3 信号的处理

进程对信号的处理方法有三种：

1. 对该信号的处理采用系统的默认操作，大部分的信号的默认操作是终止进程。
2. 设置中断的处理函数，收到信号后，由该函数来处理。
3. 忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就像未发生过一样。

signal()函数可以设置程序对信号的处理方式。

函数声明：

#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数说明：

• sig：指定要捕获的信号。
• func：指向信号处理函数的指针。处理函数需要接收一个整型参数，这个参数是捕获的信号编号。

1. SIG_DFL:SIG_DFL宏表示默认的信号处理方式。使用SIG_DFL作为signal函数的第二个参数时，表示对该信号采用系统默认的处理方式。
2. SIG_IGN:SIG_IGN宏表示忽略信号。使用SIG_IGN作为signal函数的第二个参数时，表示进程在接收到该信号时将忽略它，不进行任何处理。这在某些情况下可以防止进程被意外终止或中断。
3. SIG_ERR:SIG_ERR宏用于指示错误。它并不是作为signal函数的第二个参数来使用，而是作为signal函数的返回值来表示调用失败。如果signal函数的调用失败，它将返回SIG_ERR。这通常用于检测和处理signal函数调用中的错误。

1.4 信号有什么用

服务程序运行在后台，如果想让中止它，杀掉不是个好办法，因为进程被杀的时候，是突然死亡，没有安排善后工作。

如果向服务程序发送一个信号，服务程序收到这个信号后，调用一个函数，在函数中编写善后的代码，程序就可以有计划的退出。

向服务程序发送 0 的信号，可以检测程序是否存活。

1.5 发送信号

Linux操作系统提供了 kill 和 killall 命令向程序发送信号，在程序中，可以用 kill() 库函数向其它进程发送信号。

函数声明：

int kill(pid_t pid, int sig);

kill() 函数将参数 sig 指定的信号传给参数 pid 指定的进程。

参数 pid 有几种情况：

1. pid > 0 将信号传给进程为 pid 的进程。
2. pid = 0 将信号传给和目前进程相同进程组的所有进程，常用于父进程给子进程发送信号，注意这个行为依赖于系统实现。
3. pid < -1 将信号传给进程组ID为 |pid| 的所有进程。
4. pid = -1 将信号传给所有有权限发送信号的进程，但不包括发送信号的进程。

2.进程终止

有8种方式可以中止进程，其中5种为正常终止，它们是：

1. 在 main() 函数用 return 返回；
2. 在任意函数中调用 exit() 函数；
3. 在任意函数中调用 _exit() 或 _Exit() 函数；
4. 最后一个线程从其启动例程（线程主函数）用 return 返回；
5. 在最后一个线程中调用 pthread_exit() 返回；

异常终止有3种方式，它们是：

1. 调用 abort() 函数中止；
2. 接收到一个信号；
3. 最后一个线程对取消请求做出响应。

2.1 进程终止的状态

在 main() 函数中，return 返回的值即终止状态，如果没有 return 语句或调用 exit()，那么该进程的终止状态是0。

在Shell中，查看进程终止的状态：

echo $?

正常终止进程的3个函数（exit() 和 _Exit() 是由 ISO C 说明的，_exit() 是由 POSIX 说明的）：

void exit(int status);
void _exit(int status);
void _Exit(int status);

status 进程终止的状态。

2.2 资源释放问题

• return 表示函数返回，会调用局部对象的析构函数，main() 函数中的 return 还会调用全局对象的析构函数。
• exit() 表示终止进程，不会调用局部对象的析构函数，只调用全局对象的析构函数。
• _exit() 和 _Exit() 直接退出，不会执行清理工作。

2.3 进程的终止函数

进程可以用 atexit() 函数登记终止函数（最多32个），这些函数将由 exit() 自动调用。

int atexit(void (*function)(void));

exit() 调用终止函数的顺序与登记时相反。

3.调用可执行程序

3.1 system() 函数

system()函数提供了一种简单的执行程序的方法，把需要执行的程序和参数用一个字符串传给system()函数就行了。

函数声明：

int system(const char * string);

system()函数的返回值比较麻烦。

1. 如果执行的程序不存在，system()函数返回非0；
2. 如果执行程序成功，并且被执行的程序终止状态是0，system()函数返回0；
3. 如果执行程序成功，并且被执行的程序终止状态不是0，system()函数返回非0。

3.2 exec 函数族

exec函数族提供了另一种在进程中调用程序（二进制文件或Shell脚本）的方法。

exec函数族的声明如下：

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

注意：

1. 如果执行程序失败则直接返回-1，失败原因存于errno中。
2. 新进程的进程编号与原进程相同，但是，新进程取代了原进程的代码段、数据段和堆栈。
3. 如果执行成功则函数不会返回，当在主程序中成功调用exec后，被调用的程序将取代调用者程序，也就是说，exec函数之后的代码都不会被执行。
4. 在实际开发中，最常用的是execl()和execv()，其他的极少使用。

4.创建进程

4.1 Linux的0、1和2号进程

整个Linux系统全部的进程是一个树形结构。

• **0号进程（系统进程）**是所有进程的祖先，它创建了1号和2号进程。
• **1号进程（systemd）**负责执行内核的初始化工作和进行系统配置。
• **2号进程（kthreadd）**负责所有内核线程的调度和管理。

用pstree命令可以查看进程树：

pstree -p 进程编号

4.2 进程标识

每个进程都有一个非负整数表示的唯一的进程ID。虽然是唯一的，但是进程ID可以复用。当一个进程终止后，其进程ID就成了复用的候选者。Linux采用延迟复用算法，让新建进程的ID不同于最近终止的进程所使用的ID。这样防止了新进程被误认为是使用了同一个ID的某个已终止的进程。

获取进程ID的函数：

pid_t getpid(void);    // 获取当前进程的ID。
pid_t getppid(void);   // 获取父进程的ID。

4.3 fork()函数

一个现有的进程可以调用fork()函数创建一个新的进程。

函数声明：

pid_t fork(void);

由fork()创建的新进程被称为子进程。

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新建子进程的进程ID。

子进程和父进程继续执行fork()之后的代码，子进程是父进程的副本。子进程拥有父进程数据空间、堆和栈的副本（注意：子进程拥有的是副本，不是和父进程共享）。

fork()之后，父进程和子进程的执行顺序是不确定的。

4.4 fork()的两种用法

1. 父进程希望复制自己，然后，父进程和子进程分别执行不同的代码。这种用法在网络服务程序中很常见，父进程等待客户端的连接请求，当请求到达时，父进程调用fork()，让子进程处理这些请求，而父进程则继续等待下一个连接请求。
2. 进程要执行另一个程序。这种用法在Shell中很常见，子进程从fork()返回后立即调用exec。

4.5 共享文件

fork()的一个特性是在父进程中打开的文件描述符都会被复制到子进程中，父进程和子进程共享同一个文件偏移量。

如果父进程和子进程写同一描述符指向的文件，但又没有任何形式的同步，那么它们的输出可能会相互混合。

此时可以看见只有十万行数据。

此时应该是二十万行数据，少一行可能是文件写入操作并不是原子的，在没有同步机制的情况下，两个进程可能在同一时间尝试写入文件的不同部分，导致写入的数据相互干扰。

4.6 vfork()函数

vfork()函数的调用和返回值与fork()相同，但两者的语义不同。

vfork()函数用于创建一个新进程，而该新进程的目的是exec一个新程序，它不复制父进程的地址空间，因为子进程会立即调用exec，于是也就不会使用父进程的地址空间。如果子进程使用了父进程的地址空间，可能会带来未知的结果。

vfork()和fork()的另一个区别是：vfork()保证子进程先运行，在子进程调用exec或exit之后父进程才恢复运行。

5.僵尸进程

在操作系统中，僵尸进程（Zombie Process）是指已经终止但其父进程尚未读取其退出状态的子进程。僵尸进程虽然不再运行，但仍然占据进程表中的一个条目，以便内核能保存该进程的退出状态信息（如进程ID、退出状态等），直到父进程读取这些信息。

5.1 造成僵尸进程的原因

如果父进程比子进程先退出，子进程将由1号进程托管（这也是一种让进程在后台运行的方法）。

如果子进程比父进程先退出，而父进程没有处理子进程退出的信息，那么，子进程将成为僵尸进程。

5.2 僵尸进程的危害

内核为每个子进程保留了一个数据结构，包括进程编号、终止状态、使用CPU时间等。父进程如果处理了子进程退出的信息，内核就会释放这个数据结构。父进程如果没有处理子进程退出的信息，内核就不会释放这个数据结构，子进程的进程编号将一直被占用。系统可用的进程编号是有限的，如果产生了大量的僵尸进程，将因没有可用的进程编号而导致系统不能产生新的进程。

5.3 避免僵尸进程的方法

1. 处理SIGCHLD信号：当子进程退出时，内核会向父进程发送SIGCHLD信号。如果父进程用signal(SIGCHLD, SIG_IGN)通知内核表示自己对子进程的退出不感兴趣，那么子进程退出后会立刻释放其数据结构。
2. 使用wait()/waitpid()函数：父进程通过调用这些函数等待子进程结束，并获取其退出状态，从而释放子进程占用的资源。

pid_t wait(int *stat_loc); 
pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options); 
pid_t wait3(int *status, int options, struct rusage *rusage); 
pid_t wait4(pid_t pid, int *status, int options, struct rusage *rusage);

返回值是子进程的编号。

stat_loc 是子进程终止的信息：

a) 如果是正常终止，宏 WIFEXITED(stat_loc) 返回真，宏 WEXITSTATUS(stat_loc) 可获取终止状态；

b) 如果是异常终止，宏 WTERMSIG(stat_loc) 可获取终止进程的信号。

如果父进程很忙，可以捕获 SIGCHLD 信号，在信号处理函数中调用 wait()/waitpid()。

6.多进程与信号

[进程间发送信号](##1.5 发送信号)

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，应该向全部子进程发出退出信号，然后自己退出。

7.共享内存

多线程共享进程的地址空间，如果多个线程需要访问同一块内存，用全局变量就可以了。

在多进程中，每个进程的地址空间是独立的，不共享的，如果多个进程需要访问同一块内存，不能用全局变量，只能用共享内存。

共享内存（Shared Memory）允许多个进程（不要求进程之间有血缘关系）访问同一个内存空间，是多个进程之间共享和传递数据最有效的方式。进程可以将共享内存连接到它们自己的地址空间中，如果某个进程修改了共享内存中的数据，其他的进程读到的数据也将会改变。

共享内存并未提供锁机制，也就是说，在某个进程对共享内存进行读/写的时候，不会阻止其它进程对它的读/写。如果要对共享内存的读/写加锁，可以使用信号量。 Linux中提供了一组函数用于操作共享内存。

7.1 shmget函数

该函数用于创建/获取共享内存。

 int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• key 共享内存的键值，是一个整数（typedef unsigned int key_t），一般采用十六进制，例如 0x5005，不同共享内存的key不能相同。
• 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，例如 0666|IPC_CREAT 表示如果共享内存不存在，就创建它。
• 返回值：成功返回共享内存的id（一个大于0的整数），失败返回-1（系统内存不足，没有权限）。

用 ipcs -m 可以查看系统的共享内存，包括：键值（key），共享内存id（shmid），拥有者（owner），权限（perms），大小（bytes）。

用 ipcrm -m 共享内存id 可以手动删除共享内存，如下：

注意：共享内存中的数据类型不能使用容器，只能用基本数据类型。

7.2 shmat函数

该函数用于把共享内存连接到当前进程的地址空间。

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

• shmid 由 shmget() 函数返回的共享内存标识。
• shmaddr 指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常填0，表示让系统来选择共享内存的地址。
• shmflg 标志位，通常填0。

调用成功时返回共享内存起始地址，失败时返回 (void *)-1。

7.3 shmdt函数

该函数用于将共享内存从当前进程中分离，相当于 shmat() 函数的反操作。

int shmdt(const void *shmaddr);

• shmaddr shmat() 函数返回的地址。

调用成功时返回0，失败时返回-1。

7.4 shmctl函数

该函数用于操作共享内存，最常用的操作是删除共享内存。

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

• shmid shmget() 函数返回的共享内存id。
• command 操作共享内存的指令，如果要删除共享内存，填 IPC_RMID。
• buf 操作共享内存的数据结构的地址，如果要删除共享内存，填0。

调用成功时返回0，失败时返回-1。

注意，用 root 创建的共享内存，不管创建的权限是什么，普通用户无法删除。

7.5 循环队列

7.6 基于共享内存的循环队列

调用成功时返回0，失败时返回-1。

7.4 shmctl函数

该函数用于操作共享内存，最常用的操作是删除共享内存。

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

• shmid shmget() 函数返回的共享内存id。
• command 操作共享内存的指令，如果要删除共享内存，填 IPC_RMID。
• buf 操作共享内存的数据结构的地址，如果要删除共享内存，填0。

调用成功时返回0，失败时返回-1。

注意，用 root 创建的共享内存，不管创建的权限是什么，普通用户无法删除。

[外链图片转存中…(img-v6qW3XRA-1720711279572)]

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7.5 循环队列

7.6 基于共享内存的循环队列