四、进程、进程控制

作者: 木鱼_cc | 来源:发表于2018-07-20 22:12 被阅读0次

1.进程相关概念

1.1程序和进程

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。

1.2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。

时分复用cpu

1.3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。

1.4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！

1.5CPU和MMU

CPU

MMU

1.6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）。

1.7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。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看。

进程状态

2.环境变量

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：

① 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;

练习：打印当前进程的所有环境变量

#include <stdio.h>

extern char **environ;
int main(void)
{
    int i;
    for(i = 0; environ[i] != NULL; i++){
        printf("%s\n", environ[i]);
    }
    return 0;
}

环境变量

2.1 常见环境变量

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。

TERM

当前终端类型，在图形界面终端下它的值通常是xterm。xterm是一个X Window System上的终端模拟器，用来提供多个独立的SHELL输入输出。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。

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。

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。

2.2getenv函数

获取环境变量值

#include <stdlib.h>
char *getenv(const char *name);     
成功：返回环境变量的值；失败：NULL (name不存在)

2.3setenv函数

设置环境变量的值

int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);     
成功：0；失败：-1
参数overwrite取值：  
1：覆盖原环境变量 (改变只是在该进程中修改，进程完成后和进程开始前环境变量是不变的) 
0：不覆盖。(该参数常用于设置新环境变量，如：ABC = haha-day-night)

2.4unsetenv函数

删除环境变量name的定义
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。

3.进程控制

3.1fork函数

创建一个子进程。
pid_t fork(void);   
失败返回-1；成功返回（两个）：① 父进程返回子进程的ID(非负)   ②子进程返回 0 
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)
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

3.2getpid函数

获取当前进程ID
pid_t getpid(void);

3.3getppid函数

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：
1 是否访问内核数据结构
2 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

练习

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>//exit

int main(void)
{
    pid_t pid;
    pid = fork();//执行fork() 就出现分支了

    if (pid == -1 ) {
        perror("fork");
        exit(1);
    } else if (pid > 0) {
        printf("I'm parent pid = %d, parentID = %d\n", getpid(), getppid());
        //getpid()获取当前进程ID，getppid()获取父进程ID
      
    } else if (pid == 0) {
        printf("child  pid = %d, parentID=%d\n", getpid(), getppid());
    }

    printf("-----------------finish-----------------------\n");//finish出现了2次
    return 0;
}

3.4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？

循环创建N个子进程

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”。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int n = 5, i;               //默认创建5个子进程

    if (argc == 2) {    
        n = atoi(argv[1]);
    }

    for (i = 0; i < n; i++) //出口1,父进程专用出口
        if (fork() == 0)
            break;          //出口2,子进程出口,i不自增
//------------------------------------------------------------在这之前fork()出5个进程，只有fork()!=0的，才能与i具增
    
    //用循环因子i区分父进程、子进程
    if (n == i) {
        sleep(n);
        printf("I am parent, pid = %d\n", getpid());
    } else {
        sleep(i);
        printf("I'm %dth child, pid = %d\n", i+1, getpid());
    }
    return 0;
}

3.5子进程和父进程的关系

关于资源：子进程得到的是除了代码段是与父进程共享的以外，其他所有的都是得到父进程的一个副本，子进程的所有资源都继承父进程，得到父进程资源的副本，既然为副本，也就是说，二者并不共享地址空间。两个是单独的进程，继承了以后二者就没有什么关联了，子进程单独运行。（采用写时复制技术）

关于文件描述符：继承父进程的文件描述符时，相当于调用了dup函数，父子进程共享文件表项，即共同操作同一个文件，一个进程修改了文件，另一个进程也知道此文件被修改了。