Linux - 进程

• Linux - 进程
• 程序与进程
• 进程控制块PCB
  • 进程状态
• 进程控制
  • 创建子进程
• 进程共享
• exec函数族
• 进程内容
• 进程间通信
  • 管道
  • FIFO
  • 信号
  • 共享映射区 (无血缘关系)

程序与进程

1. 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....)。
2. 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)

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。

1. 单道程序设计：所有进程排队执行。
2. 多道程序设计：多个进程分时复用CPU资源（利用时钟中断，硬件实现）。

MMU：内存管理单元，1-3G为用户区user，3-4G为内核区kernel；

两个a.out对应user通过MMU映射到物理内存上的不同位置，且最小单位page为4K， 对应kernel映射到同一个位置，即同用一块内存空间，但是两个PCB不一致。

我们在程序中使用的都是虚拟内存，由MMU完成虚拟内存与物理内存的映射关系。

进程控制块PCB

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

• 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）。

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，挂起态与终止态。

进程控制

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。且父进程返回的是子进程pid，子进程返回0。

创建子进程

#include<unistd.h>
#include<iostream>

using namespace std;

int main()
{
 cout<<"Test Func begin!"<<endl;
 pid_t m_pid;
 m_pid= fork();

 if(m_pid == -1)
{
  perror("fork fail.");
}
 else if(m_pid == 0)
{
  cout<<"I'm child "<<"id:"<<getpid()<<" ppid:"<<getppid()<<endl;
}
 else if(m_pid > 0)
{
  cout<<"I'm parent "<<"id:"<<getpid()<<" ppid:"<<getppid()<<" childID:"<<m_pid<<endl;
  sleep(2);
}

 cout<<"fork end"<<endl;

 return 0;
}

## 循环创建子进程

#include<unistd.h>
#include<iostream>

using namespace std;

int main()
{
   cout<<"Test Func begin!"<<endl;
   pid_t m_pid;
   int i;
   for(i=0;i<5;i++)
   {
      m_pid= fork();
      if( m_pid == 0)
         break;
   }
    sleep(i);
    if( i < 5)
    {
       cout<<"I'm child "<<i<<" id:"<<getpid()<<endl;
    }
    else
    {
       cout<<"I'm parent "<<" id:"<<getpid()<<endl;
       cout<<"Test Func end!"<<endl;
    }

 return 0;
}

进程共享

刚fork之后：

1. 父子相同处: 全局变量、.data、.text、栈、堆、环境变量、用户ID、宿主目录、进程工作目录、信号处理方式...
2. 父子不同处: 1.进程ID   2.fork返回值   3.父进程ID    4.进程运行时间     5.闹钟(定时器)   6.未决信号集
3. 似乎，子进程复制了父进程0-3G用户空间内容，以及父进程的PCB，但pid不同。真的每fork一个子进程都要将父进程的0-3G地址空间完全拷贝一份，然后在映射至物理内存吗？

注意：父子进程间遵循读时共享写时复制的原则。父子独享0-3G用户区。

父子进程共享：1. 文件描述符(打开文件的结构体)  2. mmap建立的映射区 (进程间通信详解)

exec函数族

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。

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。

常用的如下：

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。

进程内容

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。

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。（需要死父进程进行回收）

wait函数

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： ① 阻塞等待子进程退出  ② 回收子进程残留资源  ③ 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)

waitpid函数

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, in options);    成功：返回清理掉的子进程ID；失败：-1(无子进程)
特殊参数和返回情况：
参数pid： 
> 0 回收指定ID的子进程    
-1 回收任意子进程（相当于wait）
0 回收和当前调用waitpid一个组的所有子进程
< -1 回收指定进程组内的任意子进程

参2：状态。

参3: 0:  (wait) 阻塞回收
     WNOHANG:   非阻塞回收   (轮询)

返回值:   成功: pid  失败:-1     返回0值:   参3传WNOHANG, 并且子进程尚未结束

进程间通信

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。

在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如**：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道**等。常用的进程间通信方式有：

• 管道 (使用最简单)
• 信号 (开销最小)
• 共享映射区 (无血缘关系)
• 本地套接字 (最稳定,最常使用)

管道

管道是一种最基本的IPC机制，**作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。**调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性：

1. 数据自己读不能自己写。
2. 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
3. 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
4. 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

测试程序：fork两个子进程，兄负责写ls，弟负责读：拼接为ls |wc -l的执行逻辑。

• pid_t fork(void); 失败返回-1；成功返回：父进程返回子进程的ID(非负) ; 子进程返回 0

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

int main(void)
{
	pid_t pid;
	int fd[2], i;
	
	pipe(fd);

	for (i = 0; i < 2; i++) {
		if((pid = fork()) == 0) {
			break;
        }
    }

	if (i == 0) {			//兄
		close(fd[0]);				//写,关闭读端
		dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);		
		execlp("ls", "ls", NULL);	
	} else if (i == 1) {	//弟
		close(fd[1]);				//读，关闭写端
		dup2(fd[0], STDIN_FILENO);		
		execlp("wc", "wc", "-l", NULL);		
	} else {
        close(fd[0]);
        close(fd[1]);
		for(i = 0; i < 2; i++)		//两个儿子wait两次
			wait(NULL);
	}

	return 0;
}

FIFO

FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。

创建方式:

    fd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if (fd < 0) 
        sys_err("open");

    i = 0;
    while (1) {
        sprintf(buf, "hello itcast %d\n", i++);

        write(fd, buf, strlen(buf));
        sleep(1);
    }

[root@192 fifo]# ./fifo_w klc.txt


    fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd < 0) 
        sys_err("open");
    while (1) {
        len = read(fd, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);
        sleep(3);           
    }

[root@192 fifo]# ./fifo_r klc.txt
hello itcast 0
hello itcast 1

信号

共享映射区 (无血缘关系)

1. 文件进程间通信：

• 使用文件也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符。也就共享打开的文件。 #include <fcntl.h> fd2 = open("test.txt", O_RDWR);//父子进程打开同一个文件

2. 存储映射I/O 函数：

void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 
返回：成功：返回创建的映射区首地址；失败：MAP_FAILED宏
int munmap(void *addr, size_t length);    成功：0； 失败：-1
int ftruncate(int fd, off_t length);

截断文件为特定长度，作为mmap的length传入。

3. mmap父子进程通信

• 父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：
  • MAP_PRIVATE:  (私有映射)  父子进程各自独占映射区；
  • MAP_SHARED:  (共享映射)  父子进程共享映射区；

4. 匿名映射

5. mmap无血缘关系进程间通信

• 实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。

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