Linux系统编程-进程

文章目录

• 第一章 进程相关概念
• 第二章 程序和进程
• 第三章 并发
• 第四章 单道程序设计
• 第五章 多道程序设计
• 第六章 CPU和MMU
• 第七章 进程控制块PCB
• 第七章 进程控制块PCB
• 第八章 进程状态
• 第八章 进程状态
• 第九章 环境变量
• 第九章 环境变量
• 第十章 进程状态函数
• 第十一章 进程共享
• 第十二章 回收子进程
• 第十三章 孤儿进程
• 第十四章 僵尸进程

第一章 进程相关概念

第二章 程序和进程

​ 程序：程序，是指编译好的二进制文件，在磁盘上，不占用系统资源(cpu、内存、打开的文件、设备、锁…)

​ 进程：是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。(程序运行起来，产生一个进程)

​ 程序 → 剧本(纸)、进程 → 戏(舞台、演员、灯光、道具…)，同一个剧本可以在多个舞台同时上演。同样，同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)如：同时开两个终端。各自都有一个bash但彼此ID不同

第三章 并发

​ 并发，在操作系统中，一个时间段中有多个进程都处于已启动运行到运行完毕之间的状态。但，任一个时刻点上仍只有一个进程在运行。

​ 例如，当下，我们使用计算机时可以边听音乐边聊天边上网。 若笼统的将他们均看做一个进程的话，为什么可以同时运行呢，因为并发。

第四章 单道程序设计

​ 所有进程一个一个排对执行。若A阻塞，B只能等待，即使CPU处于空闲状态。而在人机交互时阻塞的出现时必然的。所有这种模型在系统资源利用上及其不合理，在计算机发展历史上存在不久，大部分便被淘汰了。

第五章 多道程序设计

​ 在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。多道程序设计必须有硬件基础作为保证。

​ 时钟中断即为多道程序设计模型的理论基础。 并发时，任意进程在执行期间都不希望放弃cpu。因此系统需要一种强制让进程让出cpu资源的手段。时钟中断有硬件基础作为保障，对进程而言不可抗拒。 操作系统中的中断处理函数，来负责调度程序执行。

​ 在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用CPU (分时复用CPU资源)。而当下常见CPU为纳秒级，1秒可以执行大约10亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级，所以看似同时在运行。
​ 1s = 1000ms, 1ms = 1000us, 1us = 1000ns 1000000000

​ 实质上，并发是宏观并行，微观串行！ -----推动了计算机蓬勃发展，将人类引入了多媒体时代。

第六章 CPU和MMU

中央处理器(CPU)

内存管理单元MMU

MMU简易页表

第七章 进程控制块PCB

第七章 进程控制块PCB

​ 我们知道，每个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。

​ /usr/src/linux-headers-3.16.0-30/include/linux/sched.h文件中可以查看struct task_struct 结构体定义。其内部成员有很多，我们重点掌握以下部分即可：

• 进程id。系统中每个进程有唯一的id，在C语言中用pid_t类型表示，其实就是一个非负整数。
• 进程的状态，有就绪、运行、挂起、停止等状态。
• 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器。
• 描述虚拟地址空间的信息。
• 描述控制终端的信息。
• 当前工作目录（Current Working Directory）。
• umask掩码。
• 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针。
• 和信号相关的信息。
• 用户id和组id。
• 会话（Session）和进程组。
• 进程可以使用的资源上限（Resource Limit）。

第八章 进程状态

第八章 进程状态

​ 进程基本的状态有5种。分别为 初始态 => 就绪态 => 运行态 => 挂起态 => 终止态。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看。

第九章 环境变量

第九章 环境变量

1. 环境变量，是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数。通常具备以下特征：

   • 字符串(本质) ② 有统一的格式：名=值[:值] ③ 值用来描述进程环境信息。
   • 存储形式：与命令行参数类似。char *[]数组，数组名environ，内部存储字符串，NULL作为哨兵结尾。
   • 使用形式：与命令行参数类似。
   • 加载位置：与命令行参数类似。位于用户区，高于stack的起始位置。
   • 引入环境变量表：须声明环境变量。extern char ** environ;

2. 常见的环境变量

   按照惯例，环境变量字符串都是name=value这样的形式，大多数name由大写字母加下划线组成，一般把name的部分叫做环境变量，value的部分则是环境变量的值。环境变量定义了进程的运行环境，一些比较重要的环境变量的含义如下：

   • PATH 可执行文件的搜索路径。ls命令也是一个程序，执行它不需要提供完整的路径名/bin/ls，然而通常我们执行当前目录下的程序a.out却需要提供完整的路径名./a.out，这是因为PATH环境变量的值里面包含了ls命令所在的目录/bin，却不包含a.out所在的目录。PATH环境变量的值可以包含多个目录，用:号隔开。在Shell中用echo命令可以查看这个环境变量的值：echo $PATH
   • SHELL 当前Shell，它的值通常是/bin/bash echo $SHELL
   • TERM 当前终端类型，在图形界面终端下它的值通常是xterm，终端类型决定了一些程序的输出显示方式，比如图形界面终端可以显示汉字，而字符终端一般不行 echo $TERM
   • LANG 语言和locale，决定了字符编码以及时间、货币等信息的显示格式 echo $LANG
   • HOME 当前用户主目录的路径，很多程序需要在主目录下保存配置文件，使得每个用户在运行该程序时都有自己的一套配置 echo $HOME

3. 环境变量相关函数

   • getenv() 获取环境变量值
     ​ 函数原型：char *getenv(const char *name);
     ​ 成功：返回环境变量的值；失败：NULL (name不存在)
   • setenv() 设置环境变量的值
     ​ 函数原型：int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite); 参数overwrite=[1(覆盖原环境变量)|0(不覆盖)],该参数常用于设置新环境变量，如：ABC = haha-day-night。
     ​ 成功：0；失败：-1
   • unsetenv() 删除环境变量name的定义
     ​ 函数原型：int unsetenv(const char *name);
     ​ 成功：0；失败：-1
     ​ 注意事项：name不存在仍返回0(成功)，当name命名为"ABC="时则会出错。

第十章 进程状态函数

1. 创建一个子进程 fork()
   pid_t fork(void);
   失败返回-1；成功返回：① 父进程返回子进程的ID(非负) ②子进程返回 0 (注意返回值，不是fork函数能返回两个值，而是fork后，fork函数变为两个，父子需【各自】返回一个)

   pid_t类型表示进程ID，但为了表示-1，它是有符号整型。(0不是有效进程ID，init最小，为1)

   • 循环创建N个子进程
     一次fork函数调用可以创建一个子进程。那么创建N个子进程应该怎样实现呢？

     简单想，for(i = 0; i < n; i++) { fork() } 即可。但这样创建的是N个子进程吗？
     从上图我们可以很清晰的看到，当n为3时候，循环创建了(2^n)-1个子进程，而不是N的子进程。需要在循环的过程，保证子进程不再执行fork ，因此当(fork() == 0)时，子进程应该立即break;才正确。

     练习：通过命令行参数指定创建进程的个数，每个进程休眠1S打印自己是第几个被创建的进程。如：第1个子进程休眠0秒打印：“我是第1个子进程”；第2个进程休眠1秒打印：“我是第2个子进程”；第3个进程休眠2秒打印：“我是第3个子进程”。通过该练习掌握框架：循环创建n个子进程，使用循环因子i对创建的子进程加以区分。

   • getpid() 获取当前进程ID
     ​ pid_t getpid(void);

   • getppid() 获取当前进程的父进程ID
     ​ pid_t getppid(void);
     ​ 区分一个函数是“系统函数”还是“库函数”依据：是否访问内核数据结构；是否访问外部硬件资源 二者有任一 → 系统函数；二者均无 → 库函数

   • getuid() 获取当前进程实际用户ID
     ​ uid_t getuid(void);

   • geteuid() 获取当前进程有效用户ID
     ​ uid_t geteuid(void);

   • getgid() 获取当前进程使用用户组ID
     ​ gid_t getgid(void);

   • getegid() 获取当前进程有效用户组ID
     ​ gid_t getegid(void);

2. 进程执行相关函数(有六种以exec开头的函数，统称exec函数)
   

   • exec() fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序（但有可能执行不同的代码分支），子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换，从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程，所以调用exec前后该进程的id并未改变。将当前进程的.text、.data替换为所要加载的程序的.text.data，然后让进程从新的.text第一条指令开始执行，但进程ID不变，换核不换壳。
   • execlp() 加载一个进程，借助PATH环境变量
     ​ int execlp(const char *file, const char *arg, …);(参数1：要加载的程序的名字。该函数需要配合PATH环境变量来使用，当PATH中所有目录搜索后没有参数1则出错返回。该函数通常用来调用系统程序。如：ls、date、cp、cat等命令)
     ​ 成功：无返回；失败：-1
   • execl() 加载一个进程， 通过 路径+程序名 来加载。
     ​ int execl(const char *path, const char *arg, …);
     ​ 成功：无返回；失败：-1
     ​ 对比execlp，如加载"ls"命令带有-l，-F参数execlp(“ls”, “ls”, “-l”, “-F”, NULL); 使用程序名在PATH中搜索。execl("/bin/ls", “ls”, “-l”, “-F”, NULL); 使用参数1给出的绝对路径搜索。
   • execvp() 加载一个进程，使用自定义环境变量env
     ​ int execvp(const char *file, const char *argv[]);(变参形式： ①… ② argv[] (main函数也是变参函数，形式上等同于 int main(int argc, char *argv0, …))， 变参终止条件：① NULL结尾 ② 固参指定）
     ​ execvp与execlp参数形式不同，原理一致。练习：将当前系统中的进程信息，打印到文件中。
   • int execle(const char *path, const char *arg, …, char *const envp[]);
   • int execv(const char *path, char *const argv[]);
   • int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

   execl 函数族一般规律：​exec函数一旦调用成功即执行新的程序，不返回。只有失败才返回，错误值**-1**。所以通常我们直接在exec函数调用后直接调用perror()和exit()，无需if判断。
   l (list) 命令行参数列表
   p (path) 搜素file时使用path变量
   v (vector) 使用命令行参数数组
   e (environment) 使用环境变量数组,不使用进程原有的环境变量，设置新加载程序运行的环境变量

   ​ 事实上，只有execve是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用execve，所以execve在man手册第2节，其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示。
   

3. 进程阻塞、关闭相关函数

   • wait() 一个进程在终止时会关闭所有文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但它的PCB还保留着，内核在其中保存了一些信息：如果是正常终止则保存着退出状态，如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。这个进程的父进程可以调用wait或waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。我们知道一个进程的退出状态可以在Shell中用特殊变量$?查看，因为Shell是它的父进程，当它终止时Shell调用wait或waitpid得到它的退出状态同时彻底清除掉这个进程。

     父进程调用wait函数可以回收子进程终止信息。该函数有三个功能：阻塞等待子进程退出；回收子进程残留资源；获取子进程结束状态(退出原因)。

     ​ pid_t wait(int *status);

     ​ 成功：清理掉的子进程ID；失败：-1 (没有子进程)

     当进程终止时，操作系统的隐式回收机制会：1.关闭所有文件描述符 2. 释放用户空间分配的内存。内核的PCB仍存在。其中保存该进程的退出状态。(正常终止→退出值；异常终止→终止信号)

     可使用wait函数传出参数status来保存进程的退出状态。借助宏函数来进一步判断进程终止的具体原因。宏函数可分为如下三组：

     1. WIFEXITED(status) 为非0 → 进程正常结束

     ​ WEXITSTATUS(status) 如上宏为真，使用此宏 → 获取进程退出状态 (exit的参数)

     2. WIFSIGNALED(status) 为非0 → 进程异常终止

     ​ WTERMSIG(status) 如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程终止的那个信号的编号。

     3. WIFSTOPPED(status) 为非0 → 进程处于暂停状态

     WSTOPSIG(status) 如上宏为真，使用此宏 → 取得使进程暂停的那个信号的编号。

     ​ WIFCONTINUED(status) 为真 → 进程暂停后已经继续运行

   • waitpid() 作用同wait，但可指定pid进程清理，可以不阻塞。

     ​ pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, in options);（参数pid： >0 回收指定ID的子进程 | 0 回收和当前调用waitpid一个组的所有子进程 | -1 回收任意子进程（相当于wait）| < -1 回收指定进程组内的任意子进程）

     ​ 成功：返回清理掉的子进程ID；失败：-1(无子进程), 返回0：参3为WNOHANG，且子进程正在运行。

     注意：一次wait或waitpid调用只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环。

     作业：父进程fork 3 个子进程，三个子进程一个调用ps命令， 一个调用自定义程序1(正常)，一个调用自定义程序2(会出段错误)。父进程使用waitpid对其子进程进行回收。

第十一章 进程共享

第十二章 回收子进程

第十三章 孤儿进程

​ 孤儿进程: 父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，子进程的父进程成为init进程，称为init进程领养孤儿进程。

第十四章 僵尸进程

​ 僵尸进程: 进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程。 【zoom .c】

​ 特别注意，僵尸进程是不能使用kill命令清除掉的。因为kill命令只是用来终止进程的，而僵尸进程已经终止。思考！用什么办法可清除掉僵尸进程呢？