多任务编程也叫进程编程，进程就是程序的一次执行过程，或者说是正在运行中的程序。

我们在用电脑时可以一边打游戏一边听歌，还可以回消息等等，这些看起来是同时在运行的，但其实是每个程序只跑一小会儿就被踢下去，换下一个。因为切换太快（毫秒级），人眼 / 人感官根本察觉不到，就以为它们在同时跑。这叫做宏观上并行，微观上串行。

那么是怎么做到让每个程序都跑一小会呢？这里就要提到调度算法了，比如时间片轮转，操作系统给每个进程分配一个时间片（time slice），通常是 几毫秒到几十毫秒（比如 Linux 默认约 100ms 量级，实际更复杂），然后每个程序依次运行，然后循环往复（A->B->C->D->A->B.....）。

一、基础知识

1.程序与进程，线程

概念	本质	通俗解释
程序	存放在磁盘上的可执行文件（静态）	菜谱，放在书架上，不会自己动
进程	程序的一次执行过程（动态），有独立的地址空间	按照菜谱做菜的一个厨房，有自己的锅碗瓢盆（内存）
线程	进程内部的一条执行流，共享进程的地址空间	同一个厨房里的多个厨师，共用锅碗瓢盆，但各做各的菜

程序=数据+代码=data（已初始化的数据）+bss（未初始化的数据）+text（正文段，也就是代码区）

进程=PCB+[栈|堆|data|bss|text]

PCB块：是用来记录和保存程序运行过程中的动态信息，方便操作系统调度。

线程下一篇再讲

2.进程的一生

（1）进程的通用模型

所有OS的进程都符合这个模型，新建状态表示进程正在被创建，还没有准备好；就绪状态代表进程一切已经就绪，等待CPU调度运行；运行状态是进程正在CPU上执行；阻塞状态指进程在等待IO、资源等某个事件，当等待的事件发生后，进程会回到就绪状态；终止状态则是进程执行完毕，正在被撤销。

（2）linux特有

状态	含义
就绪	Linux 不区分就绪和运行，都叫 RUNNING。区别只在于 "是否正占有 CPU"。图里分成了 "就绪" 和 "占有 CPU 执行" 两个圈，但内核里是同一个状态。
浅度睡眠	等资源，可以被信号唤醒（比如 sleep、等键盘输入）。你 Ctrl+C 能打断它就是因为这个。
深度睡眠	等硬件 IO（比如读磁盘），不能被信号打断，只能等资源到位 wake_up() 唤醒。这就是为什么有时候进程卡死 kill -9 都杀不掉 —— 它在这个状态。
暂停	收到 SIGSTOP/SIGTSTP 信号被挂起，或者调试时 ptrace 暂停。收到 SIGCONT 恢复。
僵死	进程已经执行完 do_exit()，但父进程还没 wait() 回收它，PCB 还留着。

3.状态编码

R = RUNNING：就绪和正在运行

S = INTERRUPTIBLE：浅睡，最常见

D = UNINTERRUPTIBLE：深睡，杀不死的那种

T = STOPPED：被任务控制信号暂停

t:debug暂停

Z = ZOMBIE：僵尸态，被接管

X=dead：资源被回收了，永远看不到

4.常用命令

下面将展示在Vmware中常用的一些命令以及他的运行效果

（1）ps aux | grep a.out

列	含义
USER	进程所属用户，这里都是linux普通用户
PID	进程 ID 号，每个进程唯一编号（kill 杀进程就用这个数字）
%CPU	CPU 占用百分比，你 7256 达到 89.3%，CPU 疯狂跑死循环
%MEM	占物理内存百分比
VSZ	虚拟内存大小，单位 KB
RSS	实际占用物理内存，单位 KB
TTY	终端。pts/0你运行程序的终端窗口；pts/1是你敲 ps 命令的另一个终端
STAT	进程状态，最重要一列
START	进程几点启动，19:32
TIME	进程累计占用 CPU 时间
COMMAND	启动这个进程的命令

（2）ps -eLf | grep a.out

字段	含义
UID	运行进程的用户 ID，这里都是linux
PID	进程 ID 号
PPID	父进程 PID（重点！看谁 fork 出来的）
LWP	轻量级线程 ID，单进程单线程时 LWP=PID
C	CPU 占用调度计数
NLWP	该进程一共有多少个线程数
STIME	进程启动时间
TTY	属于哪个终端，pts/0终端 0
TIME	累计占用 CPU 时间
CMD	执行的命令

（3）看进程树

pstree可以看到整个进程树。

pstree -sp pid号：可以看到从1到当前进程的

（4）kill发一个信号给进程

用法：kill -信息编号 进程pid号

信息编号有：

9：SIGKILL让进程结束杀死进程

19：暂停进程

18：恢复进程

killall -9 a.out 可以杀死所有进程。

二、代码实现

1.创建一个子进程

形式：pid_t fork(void)

头文件：#include<sys/types.h>  #include<unistd.h>

功能：复制调用fork的进程，来创建一个新进程

返回值：成功时父进程返回子进程的pid号，子进程返回0，失败时返回-1,&errno

注意：在创建完进程后父进程和子进程谁先运是不确定的，和进程的调度算法，优先级等因素有关，也不一定是一个进程执行一次，运行到哪取决于操作系统怎么调度。

getpid（）能返回当前进程的pid号。

要注意在代码中什么位置的的代码会被什么执行。

例题：

（1）连续fork两次

第一次父进程（7910）创建了一个子进程（7911），第二次fork时父进程又创建（7912），因为子进程会复制父进程，所以子进程也会执行一次fork创建（7913）。

（2）fork()&&fork()||fork()

这里面涉及逻辑运算的短路特性，以及前面提到的子进程的返回值为0，父进程的返回值是子进程的pid号（一定>0），例如在（1）生成的子进程（7944）中fork()的返回值为0那么fork()&&fork()就直接不计算了，直接计算（3），以及fork()&&fork()为1时，整体一定为真（3）也不会继续进行。

注意：fork之后字进程继承了什么？

继承了	没继承
代码段、数据段、堆、栈（写时复制）	PID
文件描述符（打开的文件）	父进程的 PID
环境变量、当前工作目录	未处理的信号
用户 ID、组 ID	锁（有些锁不继承）

要注意父子进程拥有独立的4G内存空间，各自拥有独立的数据段，数据之间不会相互影响，无法进行数据传递。但是这种又好又坏，好处是如果子进程崩了，其他进程不会受到影响，只是交换数据不太方便。

（3）文件

复制一个文件，父进程复制前半部分，子进程复制后半部分。

fork之后，父子进程文件共享:子进程会继承父进程中已经打开的文件描述符 ，父子进程使用的是同一个文件表，相互之间的操作会受到影响，如果不想相互间受到影响可以fork之后再打开文件，父子进程各自独立操作 。

因为我们不能确定是先运行父进程还是先运行子进程，所以在父进程复制前半部分的时候一定要将读写指针移动到开头。

2.进程执行

exec 系统调用能够加载磁盘上其他独立的可执行程序，使进程可以运行不属于当前程序的代码；普通函数调用只能执行本程序内部已经编译好的代码。exec 实现程序之间的解耦。就像先租一间新房子（fork 得到新 PID），然后把新房子里面全部东西清空（替换进程镜像），叫外面完全另一队工人（外部可执行程序）搬进来干活。

（1）int execl(const char *path, const char *arg, ...);
         int execv(const char *path, char *const argv[]);

参数：@path ---表示要执行的文件的 路径 --- 要求路径名中 要包含可执行文件名 
@arg  ---表示的是可执行文件的名字 
@...  ---可变参数   注意: 最终以NULL作为结尾，这块往往给的是，可执行文件需要用到的一些参数

区别：list    --- 逐个罗列，从第二个参数开始，逐个罗列
vector  --- 表示 从第二个参数开始 组织成 数组的形式

which 文件名：可以查看可执行文件的文件路径。

用法：他们可以达到相同的效果，区别就是execv需要把参数写在一个数组里面。

（2）int execlp ( const char *file, const char *arg, ...);
         int execvp ( const char *file, char *const argv[]);

带P（PATH）表示寻找可执行文件，到系统的环境变量PATH中寻找，此时不需要指定路径
  @file参数 --只需要指定可执行文件的名字即可

其余参数与上一个相同，这里就不举例了。

（3）int execle(const char *path, const char *arg,..., char * const envp[]);
         int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

如果要执行的文件，需要使用到环境变量，则可以通过带e的这两个函数传递环境变量个可执行文件。主播不太懂这个环境变量有什么用啊，先记住这个函数吧，如果后面学明白了会在之后的博客仔细讲的。

上面这六个函数经常和下面这个函数结合使用

char *strtok(char *str, const char *delim);

功能:提取字符串

参数:@str为要解析字符串，给成NULL 表示接着原先的字符串继续拆分
  @delim 为分隔标记，遇到这些符号就会自动将前面的作为一个字符串。 

返回值:成功 返回子字符串的首地址，失败 返回NULL，字符串解析完，也返回NULL

例子：当遇到' ''\n'时拆分，第二句为连续拆分的使用方法。

3.进程退出

（1）进程结束:
  A.正常结束：main函数中 return；exit() 库函数；_exit,_Exit系统调用；主线程退出；主线程调用pthread_exit 

B.异常结束（往往是因为信号导致的结束）：abort() 发送一个SIGABRT；signal  发信号结束了进程  kill pid  -9 ；最后一个线程被pthread_cancle

（2）函数

exit 和_exit退出状态，终止的进程会通知父进程，自己使如何终止的。如果是正常结束（终止），则由exit传入的参数带回。如果是异常终止，则有内核通知异常终止原因的状态。任何情况下，父进程都能使用wait，waitpid获得这个状态，以及资源的回收。

a.void exit(int status) 

功能:让进程退出,并刷新缓存区
参数：status:进程退出的状态

exit(int status)参数是完整 int（32 位），Linux 内核只保存 status 的低 8 位给父进程，有效范围：0~255，所以需要将后8位提取出来所以status&0377可以得到真正有效的退出码。

EXIT_SUCCESS    0
EXIT_FAILURE    1

我们可以使用这两个宏定义，让代码更直观，0代表正常终止，1代表失败。

b._exit

void _exit(int status);

功能:让进程退出,不刷新缓存区
参数:status:进程退出状态

exit和_exit的区别

exit -> 刷新缓存区 -> atexit注册的退出函数 -> _exit
c.int atexit(void (*function)(void));
功能:注册进程退出前执行的函数
参数:function:函数指针，指向void返回值void参数的函数指针
返回值:成功返回0，失败返回非0

作用：关闭你自己打开的文件；释放堆上 malloc 的内存；写日志，记录程序正常退出；清理临时文件。

当程序调用exit或者由main函数执行return时,所有用atexit注册的退出函数,将会由注册时顺序倒序被调用（可以多次注册）。

4.资源回收

a.pid_t wait(int *wstatus);

头文件：#include <sys/types.h> #include <sys/wait.h>

功能：该函数可以阻塞等待任意子进程退出，并回收该进程的资源和获取退出状态值。一般用于父进程回收子进程状态。

参数：status为进程退出时候的状态，如果不关心其退出状态一般用NULL表示，如果要回收进程退出状态，则用WEXITSTATUS回收。

返回值：成功 回收的子进程pid，失败 -1

WIFEXITED(wstatus) //判断是否是正常结束       
WEXITSTATUS(wstatus) //获取正常结束时的退出状态值
WIFSIGNALED(wstatus) //判断是否时信号结束的
WTERMSIG(wstatus) //是哪个信号

b.pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

功能：回收子进程状态

参数：pid为子进程的pid号，wstatus有以下四种选择：

<-1 回收指定进程组内的任意子进程
-1 回收任意子进程，组内外
0 回收和当前调用waitpid一个组的所有子进程，组内
>0 回收指定ID的子进程

options为0时是阻塞等待，为WNOHANG表示非阻塞等待。阻塞等待是父进程会停留在这一句等待子进程退出。

返回值：成功 返回接收资源的子进程pid，非阻塞是返回值为 0 表示没有任何子进程状态改变，失败  -1 。