linux C/C++多进程教程（多进程原理以及多进程的应用【以多连接socket服务端为例（fork子进程处理socket_fd），同时介绍了僵尸进程产生原因与解决方法】）（getpid、fork）_c++多进程编程

多进程原理

一、进程的概念

什么是进程？进程这个概念是针对系统而不是针对程序员的，对程序员来说，我们面对的概念是程序，当输入指令执行一个程序的时候，对系统而言，它将启动一个进程。

进程就是正在内存中运行中的程序，Linux下一个进程在内存里有三部分的数据，就是“代码段”、“堆栈段”和“数据段”。

• “代码段”，顾名思义，就是存放了程序代码。
• “堆栈段”存放的就是程序的返回地址、程序的参数以及程序的局部变量。
• “数据段”则存放程序的全局变量，常数以及动态数据分配的数据空间（比如用new函数分配的空间）。

系统如果同时运行多个相同的程序，它们的“代码段”是相同的，“堆栈段”和“数据段”是不同的（相同的程序，处理的数据不同）。

二、进程的编号

1、查看进程

ps 查看当前终端的进程。

ps -ef 查看系统全部的进程。

ps -ef | more 查看系统全部的进程，结果分页显示。

（海康容器）

UID ：启动进程的操作系统用户。

PID ：进程编号。

PPID ：进程的父进程的编号。

C ：CPU使用的资源百分比。

STIME ：进程启动时间。

TTY ：进程所属的终端。

TIME ：使用掉的CPU时间。

CMD ：执行的是什么指令。

ps -ef |grep book查看系统全部的进程，然后从结果集中过滤出包含“book”单词的记录。程序员用得最多的指令就是这个了。

2、getpid库函数

getpid库函数的功能是获取本程序运行时进程的编号。

函数声明：

pid_t getpid();
1

函数没有参数，返回值是进程的编号，pid_t就是typedef int pid_t。

示例：test_process.c

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

int main()
{
  printf("本程序的进程编号是：%d\n",getpid());
  sleep(30);    // 是为了方便查看进程在shell下用ps -ef|grep test_process查看本进程的编号。
}
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运行效果：在test_process运行时，切换到其它的窗口，执行ps -ef | grep test_process可以查看进程，如下。

注意两个细节：

1）进程的编号是系统动态分配的，相同的程序在不同的时间执行，进程的编号是不同的。

2）进程的编号会循环使用，但是，在同一时间，进程的编号是唯一的，也就是说，不管任何时间，系统不可能存在两个编号相同的进程。

三、多进程 fork()

fork在英文中是“分叉”的意思。为什么取这个名字呢？因为一个进程在运行中，如果使用了fork函数，就产生了另一个进程，于是进程就“分叉”了，所以这个名字取得很形象。下面就看看如何具体使用fork函数，这段程序演示了使用fork的基本框架。

函数声明：

pid_t fork();
1

fork函数用于产生一个新的进程，函数返回值pid_t是一个整数，在父进程中，返回值是子进程编号，在子进程中，返回值是0。

示例：test_fork_return.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int main()
{
  printf("本程序的进程编号是：%d\n",getpid());
 
  int ipid=fork();
 
  sleep(1);       // sleep等待进程的生成。
 
  //printf("ipid=%d\n",ipid);
 
  if (ipid!=0) printf("ipid=%d, 父进程编号是：%d\n", ipid, getpid());
  else printf("ipid=%d, 子进程编号是：%d\n", ipid, getpid());
 
  sleep(30);    // 是为了方便查看进程在shell下用ps -ef|grep book252查看本进程的编号。
}
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运行结果：

看看一层一层上去它们的父进程是什么

初学者可能用点接受不了现实。

1）一个函数（fork）返回了两个值？

2）if和else中的代码能同时被执行？

那么调用这个fork函数时发生了什么呢？fork函数创建了一个新的进程，新进程（子进程）与原有的进程（父进程）一模一样。子进程和父进程使用相同的代码段；子进程拷贝了父进程的堆栈段和数据段。子进程一旦开始运行，它复制了父进程的一切数据，然后各自运行，相互之间没有影响。

fork函数对返回值做了特别的处理，调用fork函数之后，在子程序中fork的返回值是0，在父进程中fork的返回是子进程的编号，程序员可以通过fork的返回值来区分父进程和子进程，然后再执行不同的代码。

示例：test_process2.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
void fatherfunc()  // 父进程流程的主函数
{
  printf("我是老子，我喜欢孩子他娘。\n");
}
 
void childfunc()  // 子进程流程的主函数
{
  printf("我是儿子，我喜欢西施。\n");
}
 
int main()
{
  if (fork()>0) { printf("这是父进程，将调用fatherfunc()。\n"); fatherfunc();}
  else { printf("这是子进程，将调用childfunc()。\n");  childfunc();}
 
  sleep(1); printf("父子进程执行完自己的函数后都来这里。\n"); sleep(1);
}
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运行结果：

在上文上已提到过，子进程拷贝了父进程的堆栈段和数据段，也就是说，在父进程中定义的变量子进程中会复制一个副本，fork之后，子进程对变量的操作不会影响父进程，父进程对变量的操作也不会影响子进程。

示例：test_process3.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int ii=10;	//data segment
 
int main()
{
  int jj=20;	//stack segment
 
  if (fork()>0)	//father process
  {
    ii=11;jj=21; sleep(1);  printf("父进程：ii=%d,jj=%d\n",ii,jj);
  }
  else	//child process
  {
    ii=12;jj=22; sleep(1);  printf("子进程：ii=%d,jj=%d\n",ii,jj);
  }
}
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运行结果：

四、课后作业

1）编写一个多进程程序，验证子进程是复制父进程的内存变量，还是父子进程共享内存变量？

2）编写一个示例程序，由父进程生成10个子进程，在子进程中显示它是第几个子进程和子进程本身的进程编号。

3）编写示例程序，由父进程生成子进程，子进程再生成孙进程，共生成第10代进程，在各级子进程中显示它是第几代子进程和子进程本身的进程编号。

4）利用尽可能少的代码快速fork出更多的进程，试试看能不能把linux系统搞死。

5）ps -ef |grep book251命令是ps和grep两个系统命令的组合，各位查一下资料，了解一下grep命令的功能，对程序员来，grep是经常用到的命令。

参考文章：linux多进程

多进程的应用

参考文章：linux多进程的应用

前面的章节介绍socket通信的时候，socket的服务端在同一时间只能和一个客户端通信，并不是服务端有多忙，而是因为单进程的程序在同一时间只能做一件事情，不可能一边等待客户端的新连接一边与其它的客户端进行通信。

1、服务端

把book248.cpp修改一下，改为多进程。

示例（book250.cpp）

/*
 * 程序名：book250.cpp，此程序用于演示多进程的socket通信服务端。
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
class CTcpServer
{
public:
  int m_listenfd;   // 服务端用于监听的socket
  int m_clientfd;   // 客户端连上来的socket
 
  CTcpServer();
 
  bool InitServer(int port);  // 初始化服务端
 
  bool Accept();  // 等待客户端的连接
 
  // 向对端发送报文
  int  Send(const void *buf,const int buflen);
  // 接收对端的报文
  int  Recv(void *buf,const int buflen);
 
  void CloseClient();    // 关闭客户端的socket
  void CloseListen();    // 关闭用于监听的socket
 
 ~CTcpServer();
};
 
CTcpServer TcpServer;
 
int main()
{
  // signal(SIGCHLD,SIG_IGN);  // 忽略子进程退出的信号，避免产生僵尸进程
 
  if (TcpServer.InitServer(5051)==false)
  { printf("服务端初始化失败，程序退出。\n"); return -1; }
 
  while (1)
  {
    if (TcpServer.Accept() == false) continue;
 
    if (fork()>0) { TcpServer.CloseClient(); continue; }  // 父进程回到while，继续Accept。
 
    // 子进程负责与客户端进行通信，直到客户端断开连接。
    TcpServer.CloseListen();
 
    printf("客户端已连接。\n");
 
    // 与客户端通信，接收客户端发过来的报文后，回复ok。
    char strbuffer[1024];
 
    while (1)
    {
      memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
      if (TcpServer.Recv(strbuffer,sizeof(strbuffer))<=0) break;
      printf("接收：%s\n",strbuffer);
 
      strcpy(strbuffer,"ok");
      if (TcpServer.Send(strbuffer,strlen(strbuffer))<=0) break;
      printf("发送：%s\n",strbuffer);
    }
 
    printf("客户端已断开连接。\n");
 
    return 0;  // 或者exit(0)，子进程退出。
  }
}
 
CTcpServer::CTcpServer()
{
  // 构造函数初始化socket
  m_listenfd=m_clientfd=0;
}
 
CTcpServer::~CTcpServer()
{
  if (m_listenfd!=0) close(m_listenfd);  // 析构函数关闭socket
  if (m_clientfd!=0) close(m_clientfd);  // 析构函数关闭socket
}
 
// 初始化服务端的socket，port为通信端口
bool CTcpServer::InitServer(int port)
{
  if (m_listenfd!=0) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; }
 
  m_listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);  // 创建服务端的socket
 
  // 把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服务端地址信息的数据结构
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 协议族，在socket编程中只能是AF_INET
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本主机的任意ip地址
  servaddr.sin_port = htons(port);  // 绑定通信端口
  if (bind(m_listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { close(m_listenfd); m_listenfd=0; return false; }
 
  // 把socket设置为监听模式
  if (listen(m_listenfd,5) != 0 ) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; return false; }
 
  return true;
}
 
bool CTcpServer::Accept()
{
  if ( (m_clientfd=accept(m_listenfd,0,0)) <= 0) return false;
 
  return true;
}
 
int CTcpServer::Send(const void *buf,const int buflen)
{
  return send(m_clientfd,buf,buflen,0);
}
 
int CTcpServer::Recv(void *buf,const int buflen)
{
  return recv(m_clientfd,buf,buflen,0);
}
 
void CTcpServer::CloseClient()    // 关闭客户端的socket
{
  if (m_clientfd!=0) { close(m_clientfd); m_clientfd=0; }
}
 
void CTcpServer::CloseListen()    // 关闭用于监听的socket
{
  if (m_listenfd!=0) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; }
}
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解释一下：

1. 在CTcpServer中增加了两个成员函数。

  void CloseClient();    // 关闭客户端的socket
  void CloseListen();    // 关闭用于监听的socket
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2. 当有客户端连上来的时候，主进程执行fork，这时候会客户端的socket（m_clientfd）被复制了一份，对父进程来说，只负责监听客户端的连接，不需要与客户端通信，所以父进程关闭m_clientfd，注意，父进程关闭m_clientfd对子进程中的m_clientfd没有影响。
3. 当有客户端连上来的时候，主进程执行fork，这时候服务端用于监听的socket（m_listenfd）也会被复制了一份，对子进程来说，只需要与客户端通信，不需要监听客户端的连接，所以子进程关闭监听的m_listenfd，同理，子进程关闭m_listenfd对父进程中的m_listenfd没有影响。（因为只是使引用计数-1：参考文章：linux C语言 socket编程教程（附两个例子）（socket教程）EINTR）
4. 子进程执行完任务后，要调用retrun或exit(0)退出，如果没有调用return或exit(0)，子进程将又会回到while循环首部。

2、客户端

把book247.cpp修改一下，循环的次数改为50，每次与服务端完成报文交互后sleep一秒，方便观察程序运行的效果。

示例（book249.cpp）

/*
 * 程序名：book249.cpp，此程序对book247.cpp略作修改，用于测试多进程的socket通信客户端
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
// TCP客户端类
class CTcpClient
{
public:
  int m_sockfd;
 
  CTcpClient();
 
  // 向服务器发起连接，serverip-服务端ip，port通信端口
  bool ConnectToServer(const char *serverip,const int port);
  // 向对端发送报文
  int  Send(const void *buf,const int buflen);
  // 接收对端的报文
  int  Recv(void *buf,const int buflen);
 
 ~CTcpClient();
};
 
int main()
{
  CTcpClient TcpClient;
 
  // 向服务器发起连接请求
  if (TcpClient.ConnectToServer("172.16.0.15",5051)==false)
  { printf("TcpClient.ConnectToServer(\"172.16.0.15\",5051) failed,exit...\n"); return -1; }
 
  char strbuffer[1024];
 
  for (int ii=0;ii<50;ii++)
  {
    memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
    sprintf(strbuffer,"这是第%d个超级女生，编号%03d。",ii+1,ii+1);
    if (TcpClient.Send(strbuffer,strlen(strbuffer))<=0) break;
    printf("发送：%s\n",strbuffer);
   
    memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
    if (TcpClient.Recv(strbuffer,sizeof(strbuffer))<=0) break;
    printf("接收：%s\n",strbuffer);
 
    sleep(1);  // sleep一秒，方便观察程序的运行。
  }
}
 
CTcpClient::CTcpClient()
{
  m_sockfd=0;  // 构造函数初始化m_sockfd
}
 
CTcpClient::~CTcpClient()
{
  if (m_sockfd!=0) close(m_sockfd);  // 析构函数关闭m_sockfd
}
 
// 向服务器发起连接，serverip-服务端ip，port通信端口
bool CTcpClient::ConnectToServer(const char *serverip,const int port)
{
  m_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); // 创建客户端的socket
 
  struct hostent* h; // ip地址信息的数据结构
  if ( (h=gethostbyname(serverip))==0 )
  { close(m_sockfd); m_sockfd=0; return false; }
 
  // 把服务器的地址和端口转换为数据结构
  struct sockaddr_in servaddr;
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_port = htons(port);
  memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);
 
  // 向服务器发起连接请求
  if (connect(m_sockfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr))!=0)
  { close(m_sockfd); m_sockfd=0; return false; }
 
  return true;
}
 
int CTcpClient::Send(const void *buf,const int buflen)
{
  return send(m_sockfd,buf,buflen,0);
}
 
int CTcpClient::Recv(void *buf,const int buflen)
{
  return recv(m_sockfd,buf,buflen,0);
}
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测试运行

先启动服务端book250，然后启动多个book249，可以看到服务端可以同时与多个客户端进行通信，查看服务端的进行如下：ps -ef | grep book250

注意，服务端book250的主程序的while是一个死循环，没有退出机制，可以按Ctrl+c强制中止它，这不是正确的办法，后面我会介绍正确的方法。

我把connect ip改成了127.0.0.1，然后在ubuntu上编译测试

二、僵尸进程

1、僵尸进程产生的原因

一个子进程在调用return或exit(0)结束自己的生命的时候，其实它并没有真正的被销毁，而是留下一个僵尸进程。

先启动服务端程序book250，然后多次启动客户端程序book249，马上查看book250的进程，如下图：

等全部的客户端book249程序运行完成后，再查看book250的进程，如下图。

被选中的就是僵尸进程，有<defunct>标志。

如果按Ctrl+c终止book250后，父进程退出，僵尸进程随之消失。

2、僵尸进程的危害

僵尸进程是子进程结束时，父进程又没有回收子进程占用的资源。

僵尸进程在消失之前会继续占用系统资源。

如果父进程先退出，子进程被系统（init进程）接管，子进程退出后系统会回收其占用的相关资源，不会成为僵尸进程。父进程先退出的应用场景在以后的章节中介绍。

3、如何解决僵尸进程

解决僵尸进程的方法有两种。

子进程退出之前，会向父进程发送一个信号，父进程调用wait函数等待这个信号，只要等到了，就不会产生僵尸进程。这话说得容易，在并发的服务程序中这是不可能的，因为父进程要做其它的事，例如等待客户端的新连接，不可能去等待子进程的退出信号，这个方法我就不介绍了。

另一种方法就是父进程直接忽略子进程的退出信号，具体做法很简单，在主程序中启用以下代码：

signal(SIGCHLD,SIG_IGN);  // 忽略子进程退出的信号，避免产生僵尸进程
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signal函数的用法暂时不介绍，以后会有详细说明。

先启动服务端程序book250，然后多次启动客户端程序book249，等book249运行结束后再查看book250的进程，不再有僵尸进程。

三、应用经验（采用多进程的主要目的是处理多个并发的任务，而不是为了提高程序的效率）

在学习了多进程的基础知识之后，初学者可能会认为多进程是一个高大上的技术，认为多进程处理数据肯定比单进程快，其实不是。在实际开发中，采用多进程的主要目的是处理多个并发的任务，而不是为了提高程序的效率。

从效率方面来说，某些场景下多进程的效率比单进程低，原因很简单，因为在有限的硬件资源中，多进程程序的内存开销更大，还会产生资源的竞争。就像多个人端着一盆水，不如一个人端着一盆水走得快。

这篇文章也有一点参考价值：socket编程（二）：每个进程服务一个连接