10_Linux下进程的创建与使用

scheduling）
• Linux操作系统负责在各个进程之间进行调度，轮流使每个进程占用 一个CPU时间片。
• Linux中，每个进程在创建时都会被分配一个数据结构，称为进程控
制块（Process Control Block，简称PCB），其中有一个优先级属性， Linux根据它来决定各个进程从CPU获得的时间片大小。
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• 文件系统信息:
– 进程可以打开文件系统中的文件，系统需要对这些文件进行跟踪。
– 系统使用这类字段记录进程所打开的文件描述符信息。 – 不同的进程打开同一个文件时，其使用的文件描述符不同。
• 时间和定时器:
– 系统在这些字段中保存进程的建立时间，以及在其生命周期中所 花费的 CPU 时间。
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• 进程的task_struct数据结构包括了进程标识符PID、进 程的状态、调度信息、相关文件标识符等信息。
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进程的状态
• Linux 进程主要有如下几种状态： 运行、就绪、和等待（休眠）
• Running（运行态）：得到CPU控制权，它的程序正在运行，该进程所处的状态为运行状态。
（在系统中，只有一个进程处于此状态） 。
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1. 进程的概念
–一个程序可以对应多个进程。程序的每一个正在运行的副本都 有其自己的进程。同时运行的多个进程之间相互隔开，除非需 要交换数据，否则互不影响。
• 进程和任务的区别：
任ຫໍສະໝຸດ Baidu（命令）cat abc | more运行了两个进程。
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进程的特点
–并发性：引入进程的目的是为了实现在系统中同时运 行多个程序。 –动态性：进程随着创建而诞生，随着撤销而消亡。
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system2程序
Linux下进程的结构
• Linux下一个进程在内存里有三部份的数据：
– 代码段：存放了程序代码的数据，假如机器中有数个进程运行相同的一个程序，那么 它们就可以使用同一个代码段。 – 堆栈段：存放的就是子程序的返回地址、子程序的参数以及程序的局部变量。 – 数据段：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malloc之 类的函数取得的空间）。
1274 pts/2 S 0:00 -bash
1463 pts/1 S 0:00 oclock -transparent -geometry 135x135-10+40 1465 pts/1 S 0:01 emacs Makefile 1480 pts/1 S 0:00 ./system1 1481 pts/1 R 0:00 ps -ax Done.
改变只影响其本身，不会对其它进程产生影响。
– 一个进程的运行出现错误时并不会影响到其它进程的
顺利运行，这是Linux系统具有高度稳定性的原因之一。
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目录
1. 进程简介
2. 启动新进程
3. 替换进程映像 4. 复制进程映像（fork函数）
2. 启动新进程
• system函数它是一个较高层的函数，实际上相当于在SHELL环境下执行一条命令。
• 进程相关的上下文信息:
– 进程可被看成是系统状态的集合，随着进程的运行，这一集合发 生变化。进程上下文就是用来保存系统状态的 task_struct 字段。
– 当调度程序将某个进程从运行状态切换到暂停状态时，会在上下 文中保存当前的进程运行环境，包括 CPU 寄存器的值以及堆栈信
息；
– 当调度程序再次选择该进程运行时，则会从进程上下文信息中恢 复进程的运行环境。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h> int main(){ printf(“Running ps with system\n”); system(“ps -ax”); printf(“Done.\n”); exit(0); }
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system1程序
程序运行结果
$ ./system1
Running ps with system PID TTY STAT TIME COMMAND 1 ? S 0:05 init
2 ? SW 0:00 [keventd]
... 1262 pts/1 S 0:00 /bin/bash 1273 pts/2 S 0:00 su -
– 程序是存储在磁盘上的可执行的机器指令和数据的实体，是静态的；而进程 则可以看成是运行中的程序，包括所有当前CPU中的活动信息等，进程是动态
的。
– 和进程联系在一起的不仅有程序的指令和数据，而且还有当前的指令指 针、所有的 CPU 寄存器以及用来保存临时数据的堆栈等，所有这些都随
着程序指令的执行在变化。
目录
1. 进程简介
2. 启动新进程
3. 替换进程映像 4. 复制进程映像（fork函数）
目录
1. 进程简介
2. 启动新进程
3. 替换进程映像 4. 复制进程映像（fork函数）
1. 进程的概念
• 进程是一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机上 的执行过程和分配资源的基本单位。
• 程序与进程的区别：
• 系统将PID=0分配给调度进程，PID=1分配给初始化进程。
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ps命令的结果
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• 系统中每一个进程都包含一张 PCB表，每张PCB表对应到
一个 task_struct 数据结构，所有指向这些数据结构的
指针组成一个进程指针数组task，系统缺省的进程向量 数据大小是512，表示系统中可同时容纳512个进程。
#include <unistd.h> char **environ; int execl(const char *path, const char *arg0, ..., (char *)0); int execlp(const char *file, const char *arg0, ..., (char *)0); int execle(const char *path, const char *arg0, ..., (char *)0, char *const envp[]); int execv(const char *path, char *const argv[]); int execvp(const char *file, char *const argv[]); int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
•
zombie僵尸进程：进程已终止，但在 task 数组中仍占据着一个 task_struct 结 构。
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• 调度信息: 调度程序利用该信息完成进程之间的切换。 • 进程间通讯的信息: 系统利用这一信息实现进程间的通讯。
• 进程链信息（进程间关系）:
– 除初始化进程之外，任何一个进程都具有父进程。每个进程都是从父进 程中“克隆”出来的。 – 进程链则包含进程的父进程指针、和该进程具有相同父进程的兄弟进程 指针以及进程的子进程指针。 – 利用这个链表中的信息，内核可以很容易地找到某个进程。
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利用exec系列函数启动ps程序示例
#include <unistd.h> /* Note that we need a program name for argv[0] */ char *const ps_argv[] ={“ps”, “-ax”, 0}; /* Example environment, not terribly useful */ char *const ps_envp[] ={“PATH=/bin:/usr/bin”, “TERM=console”, 0};
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• PCB表中包含了很多重要的信息，供系统调度和进程本身执行使 用，其中最重要的是进程 ID（ process ID ，进程标识符），是 一个非负整数，在Linux操作系统中唯一地标志一个进程，在最 常使用的 I386架构（即PC使用的架构）上，是一个非负的整数 的变化范围是0～32767，这是我们所有可能取到的进程ID。
• 文件系统uid 和 gid：用于检测进程对文件系统访 问的权限；
• 保存的uid 和 gid：进程第一次调用某程序时设置的最初的有效uid和 gid。
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• 进程所占的内存区域：
– 每个进程执行都需要占用一定的内存区域，此区域用 于保存该进程所运行的代码和所使用的数据变量。 – 此区域是分配给一个进程的虚拟空间，其内部数据的
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• 安全信息：
– Linux 使用用户标识符和组标识符判断用户对文件和目录的访问 许可。 – Linux 系统中的所有文件或目录均具有所有者和许可属性，Linux 据此判断某个用户对文件的访问权限。 – 对一个进程而言，系统在 task_struct 结构中记录如下四对标识
符：
• 实际uid 和 gid：文件本身的uid和 gid； • 有效uid 和 gid：进程目前运行的uid和 gid；
– 若需要相互合作进行数据的交流，则需要在各进程之间建立一种“进程 间通讯（ Inter-Process Communication ,IPC）”机制，常见的有信号 和管道等；
– 若出现互斥关系，如调用同一程序（此程序不允许同时被运行，如数据
库、文件操作），则采用锁定机制。
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• Linux 中 多 进 程 同 时 运 行 的 实 现 原 理 ： 进 程 调 度 （ process
多进程是操作系统，尤其是并发程序设计中非常重 要的概念，目的是为提高程序的运行效率，保持 CPU 的最大利用率。
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进程的特点
• 多进程之间相互独立，必要时发生联系。
– 进程在运行过程中，要使用许多计算机资源，例如 CPU、内存、文件、 Printer等。若使用相同资源，为避免冲突，必须设定轮流使用；
系统如果同时运行数个相同的程序，它们之间就 不能使用同一个堆栈段和数据段。
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目录
1. 进程简介
2. 启动新进程
3. 替换进程映像 4. 复制进程映像（fork函数）
3.替换进程映像
• 在Linux中可使用exec系列函数使一个进程来启动另一个程序的执行。 • exec系列函数包括：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp
•
Waiting（就绪态）：它们已经准备就绪，一旦得到CPU，就立即可以运行，这些进程所取
的状态为就绪状态。（有多个进程处于此状态）
•
Stop（等待态、停止态、休眠态）：进程不能使用CPU。若一个进程正在等待某个事件
的发生（如等待I/O的完成），而暂停执行，这时，即使给它CPU时间，它也无法执行，则称 该进程处于等待状态。
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system(“ps -ax”); --> system(“ps -ax &”);
$ ./system2
Running ps with system PID TTY STAT TIME COMMAND 1 ? S 0:05 init 2 ? SW 0:00 [keventd] ... Done. $ 1246 ? S 0:00 kdeinit: klipper -icon klipper -miniicon klipper 1274 pts/2 S 0:00 -bash 1463 pts/1 S 0:00 oclock -transparent -geometry 135x135-10+40 1465 pts/1 S 0:01 emacs Makefile 1484 pts/1 R 0:00 ps -ax
/* Possible calls to exec functions */
execl(“/bin/ps”, “ps”, “-ax”, 0); /* assumes ps is in /bin */ execlp(“ps”, “ps”, “-ax”, 0); /* assumes /bin is in PATH */ execle(“/bin/ps”, “ps”, “-ax”, 0, ps_envp); /* passes own environment */
Ch5_1 Linux下的多进程编程
复习与回顾
• 上节课内容
– 格式化输入输出(fprintf,fscanf,sprintf) – 缓冲区函数
(setbuf,setbuffer,setlinebuf,setvbuf,fflush,fpurge)
– 文件定位与出错检测(rewind,fseek,ftell,feof,ferror) – 系统调用（底层文件访问）（open、write）