# 实验02 Linux 进程控制编程

## 实验目的

1. 掌握 `fork`、`exec`、`wait`、`exit` 等进程控制系统调用
2. 理解进程的创建、执行和终止过程
3. 掌握进程族亲关系（父子进程、兄弟进程）
4. 学会编写简单的交互式 shell 程序
5. 理解守护进程（daemon）的概念和实现方法
6. 了解信号机制的基本使用

## 涉及知识点

- `fork()` 创建子进程及返回值含义
- `exec` 家族函数：`execl`、`execlp`、`execvp`、`execve`
- `wait` / `waitpid` 回收子进程，避免僵尸进程
- `exit` / `_exit` 终止进程
- 进程组与会话（`setsid`）
- 信号：`SIGCHLD`、`SIGKILL`、`SIGTERM`、`SIGALRM`
- 守护进程（daemon）的创建步骤
- 文件重定向：`dup2`
- 管道：`pipe`

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## 任务一：task51.c -- 进程族亲结构

### 任务要求

创建如下进程树结构，每个进程打印自己的 PID 和父进程 PPID，最终输出完整的族亲关系：

```
p1
+-- p11
+-- p12
    +-- p121
    +-- p122
```

### 关键代码提示

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

int main() {
    pid_t pid;

    printf("p1: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());

    // 创建 p11
    pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("p11: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
        exit(0);
    }

    // 创建 p12
    pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("p12: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());

        // p12 创建 p121
        pid = fork();
        if (pid == 0) {
            printf("p121: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
            exit(0);
        }

        // p12 创建 p122
        pid = fork();
        if (pid == 0) {
            printf("p122: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
            exit(0);
        }

        wait(NULL);
        wait(NULL);
        exit(0);
    }

    // p1 等待两个子进程
    wait(NULL);
    wait(NULL);
    return 0;
}
```

### 关键要点

- `fork()` 返回值：父进程中返回子进程 PID，子进程中返回 0
- `wait(NULL)` 阻塞等待任意一个子进程结束
- 子进程必须调用 `exit(0)` 终止，否则会继续执行父进程后续代码
- `fork` 后父子进程从同一位置继续执行，注意判断返回值分流

### 常见问题

| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| 输出顺序不确定 | 父子进程并发执行 | 正常现象，可用 `wait` 控制部分顺序 |
| 进程数不对 | `fork` 位置错误 | 确保在正确的位置 `fork`，避免重复创建 |
| 僵尸进程 | 父进程未 `wait` | 每个 `fork` 后都要有对应的 `wait` |
| p11 的 PPID 不是 p1 | 父进程先退出 | 正常现象（孤儿进程被 init 收养），可用 `sleep` 验证 |

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## 任务二：task52.c -- 交互式 shell

### 任务要求

实现一个简化版的交互式 shell，具备以下功能：

1. 显示提示符 `%`，等待用户输入命令
2. 解析并执行用户输入的外部命令
3. 输入 `exit` 退出 shell
4. 支持输出重定向（`>`）
5. 支持管道（`|`）

### 关键代码提示

```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>

#define MAX_LINE 1024
#define MAX_ARGS 64

// 解析命令行为参数数组
int parse(char *line, char **args) {
    int argc = 0;
    char *token = strtok(line, " \t\n");
    while (token != NULL && argc < MAX_ARGS - 1) {
        args[argc++] = token;
        token = strtok(NULL, " \t\n");
    }
    args[argc] = NULL;
    return argc;
}

// 处理输出重定向
void handle_redirect(char **args) {
    for (int i = 0; args[i] != NULL; i++) {
        if (strcmp(args[i], ">") == 0) {
            int fd = open(args[i + 1],
                          O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
            dup2(fd, STDOUT_FILENO);
            close(fd);
            args[i] = NULL;
            break;
        }
    }
}

// 处理管道
void handle_pipe(char *line) {
    char *cmd1 = strtok(line, "|");
    char *cmd2 = strtok(NULL, "|");

    int pipefd[2];
    pipe(pipefd);

    pid_t pid1 = fork();
    if (pid1 == 0) {
        close(pipefd[0]);
        dup2(pipefd[1], STDOUT_FILENO);
        close(pipefd[1]);
        char *args[MAX_ARGS];
        parse(cmd1, args);
        execvp(args[0], args);
        perror("execvp");
        exit(1);
    }

    pid_t pid2 = fork();
    if (pid2 == 0) {
        close(pipefd[1]);
        dup2(pipefd[0], STDIN_FILENO);
        close(pipefd[0]);
        char *args[MAX_ARGS];
        parse(cmd2, args);
        execvp(args[0], args);
        perror("execvp");
        exit(1);
    }

    close(pipefd[0]);
    close(pipefd[1]);
    waitpid(pid1, NULL, 0);
    waitpid(pid2, NULL, 0);
}

int main() {
    char line[MAX_LINE];

    while (1) {
        printf("%% ");
        fflush(stdout);

        if (fgets(line, sizeof(line), stdin) == NULL) break;
        if (strncmp(line, "exit", 4) == 0) break;

        if (strchr(line, '|') != NULL) {
            handle_pipe(line);
            continue;
        }

        char *args[MAX_ARGS];
        parse(line, args);

        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            handle_redirect(args);
            execvp(args[0], args);
            perror("execvp");
            exit(1);
        }
        waitpid(pid, NULL, 0);
    }
    return 0;
}
```

### 常见问题

| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| shell 卡住不响应 | `fgets` 缓冲问题 | 输入后确保有换行符，提示符后用 `fflush(stdout)` |
| 重定向不生效 | `dup2` 调用时机不对 | 必须在 `execvp` 之前调用 `dup2` |
| 管道只执行一半 | 文件描述符未关闭 | 父子进程中都要关闭不用的管道端 |
| `exit` 无法退出 | 字符串比较逻辑错误 | 用 `strncmp` 精确匹配前 4 个字符 |

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## 任务三：task53.c -- daemon 文件监控

### 任务要求

1. 创建守护进程（daemon），后台运行
2. 每隔 5 分钟读取 `task53.c` 文件内容，计算 hash 值
3. 与上一次的 hash 值对比
4. 如果文件被篡改，将事件记录到日志文件

### 关键代码提示

```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <time.h>

// djb2 哈希算法
unsigned long compute_hash(const char *filename) {
    FILE *fp = fopen(filename, "r");
    if (!fp) return 0;
    unsigned long hash = 5381;
    int c;
    while ((c = fgetc(fp)) != EOF)
        hash = ((hash << 5) + hash) + c;
    fclose(fp);
    return hash;
}

// daemon 创建五步法
void daemonize() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) exit(1);
    if (pid > 0) exit(0);

    setsid();

    pid = fork();
    if (pid < 0) exit(1);
    if (pid > 0) exit(0);

    chdir("/");

    close(STDIN_FILENO);
    close(STDOUT_FILENO);
    close(STDERR_FILENO);
}

int main() {
    daemonize();

    unsigned long last_hash = compute_hash("task53.c");
    FILE *logfp;

    while (1) {
        sleep(300);

        unsigned long current_hash = compute_hash("task53.c");
        if (current_hash != last_hash) {
            logfp = fopen("/var/log/task53.log", "a");
            if (logfp) {
                time_t now = time(NULL);
                fprintf(logfp, "[%s] task53.c changed! "
                        "old=%lx, new=%lx\n",
                        ctime(&now), last_hash, current_hash);
                fclose(logfp);
            }
            last_hash = current_hash;
        }
    }
    return 0;
}
```

### daemon 创建步骤（五步法）

```
1. fork() + 父进程 exit     -- 脱离终端控制
2. setsid()                 -- 创建新会话，成为会话首进程
3. fork() + 父进程 exit     -- 确保不会重新获得控制终端
4. chdir("/")               -- 避免占用可卸载的文件系统
5. 关闭 0/1/2               -- 释放标准输入输出
```

### 常见问题

| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| daemon 无法后台运行 | 没有正确 `fork` 两次 | 严格按照五步法创建 |
| 日志文件无输出 | 路径权限问题 | 检查 `/var/log/` 写权限，或改用用户目录 |
| 如何终止 daemon | 无交互终端 | `ps aux | grep task53` 找到 PID 后 `kill` |
| hash 算法冲突 | 简单 hash 可能碰撞 | 实验中 djb2 即可，正式场景可用 MD5/SHA |

---

## 任务四：task54.c -- 信号管理子进程（选做）

### 任务要求

实现一个通过信号管理子进程的程序，支持以下命令：

- `create`：创建一个子进程
- `kill <pid>`：向指定子进程发送 SIGTERM
- `ps`：列出所有存活的子进程
- `exit`：终止所有子进程并退出

### 关键代码提示

```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

#define MAX_CHILDREN 64

pid_t children[MAX_CHILDREN];
int child_count = 0;

void sigchld_handler(int sig) {
    pid_t pid;
    while ((pid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0) {
        for (int i = 0; i < child_count; i++) {
            if (children[i] == pid) {
                children[i] = children[--child_count];
                break;
            }
        }
        printf("[parent] child %d terminated\n", pid);
    }
}

void child_work() {
    while (1) sleep(10);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = sigchld_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;
    sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);

    char cmd[64];
    while (1) {
        printf("cmd> ");
        fflush(stdout);
        if (fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin) == NULL) break;

        if (strncmp(cmd, "create", 6) == 0) {
            pid_t pid = fork();
            if (pid == 0) { child_work(); exit(0); }
            children[child_count++] = pid;
            printf("created child PID=%d\n", pid);
        } else if (strncmp(cmd, "kill", 4) == 0) {
            pid_t pid;
            sscanf(cmd + 5, "%d", &pid);
            kill(pid, SIGTERM);
        } else if (strncmp(cmd, "ps", 2) == 0) {
            printf("alive children: ");
            for (int i = 0; i < child_count; i++)
                printf("%d ", children[i]);
            printf("\n");
        } else if (strncmp(cmd, "exit", 4) == 0) {
            for (int i = 0; i < child_count; i++)
                kill(children[i], SIGTERM);
            sleep(1);
            break;
        }
    }
    return 0;
}
```

### 常见问题

| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| 僵尸进程残留 | `SIGCHLD` 未正确处理 | handler 中用 `waitpid(-1, ..., WNOHANG)` 循环回收 |
| `ps` 列表不准 | handler 与主程序竞争共享数组 | 使用信号屏蔽（`sigprocmask`）保护临界区 |
| 子进程无法终止 | 信号被忽略或屏蔽 | 确保子进程没有屏蔽 `SIGTERM` |

---

## 实验总结

通过本实验，应掌握以下能力：

1. 使用 `fork` 创建进程树，理解父子进程关系
2. 使用 `exec` 家族函数执行外部命令
3. 使用 `wait`/`waitpid` 回收子进程，避免僵尸进程
4. 实现简单的 shell，理解 shell 的工作原理
5. 创建守护进程，理解 daemon 的设计模式
6. 使用信号机制进行进程间通信
