进程体系与进程管理

一、进程控制块PCB

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，就是一个非负整数。

进程的状态：有运行，挂起，停止，僵尸等状态。

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。

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。

控制终端、session和进程组。

进程可以使用的资源上限。

二、进程控制fork 1.fork作用：

根据一个现有的进程复制出一个新进程，原来的进程称为父进程，新进程称为子进程。

系统中运行着很多进程，这些进程都是从最初只有一个进程开始一个一个复制出来的。

2.在shell下输入命令运行一个程序，因为shell进程在读取用户输入的命令之后会调用fork夫指出一个新的shell进程。

fork调用失败返回-1。

fork在子进程中返回0，子进程可以调用getpid函数得到自己的进程id，也可调用getpid函数得到父进程id。

在父进程中用getpid得到自己的进程id，要想得到子进程id，只有将fork返回值记录下来！

#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    char *msg;
    int n;
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    if (pid == 0) {
        n=6;
        while (n > 0) {
            printf("child self=%d, parent=%dn", getpid(), getppid());
            sleep(1);
            n--;
        }
    } else {
        n = 3;
        while (n > 0) {
            printf("father self=%d, parent=%dn", getpid(), getppid());
            sleep(1);
            n--;
        }
    }
    return 0;
}

3.创建10个子进程，并打印他们的pid和ppid？

#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    char *msg;
    int n;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pid_t pid = fork();
        if (pid < 0) {
            perror("fork");
            exit(1);
        }

        if (!pid) {
            sleep(1);
            printf("child[%d], self=%d, parent=%dn", i, getpid(), getppid());
            break;
        }
    }
    return 0;
}

4.gdb如何调试多进程？

三、exec函数族 1.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。

如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行，不在返回，如果出错返回-1。

exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

exec系统调用执行新程序时会把命令行参数和环境变量表传递给main函数。

和命令行参数argv类似，环境变量表也是一个字符串数组。

name=value

#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    printf("path value = [%s]n", getenv("PATH"));
    setenv("PATH", "hello", 1);
    printf("path value = [%s]n", getenv("PATH"));

    // extern char **environ;
    // for (int i = 0; environ[i]; i++) {
    //     printf("%sn", environ[i]);
    // }
    return 0;
}

①不带字母p（path）的exec函数第一个参数必须是程序的相对路径或绝对路径，如：“/bin/ls”或“./a.out”

②对于带字母p的函数：如果参数中包含/，将其视为路径名。否则视为不带路径的程序名，在PATH环境变量的目录列表中搜索这个程序。

③对于以e（environment）结尾的exec函数，可以把一份新的环境表量表与其他exec仍使用当前的环境变量表执行新程序。

2.实现exec族函数调用命令

#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
    perror("exec");
    exit(1);
    return 0;
}

#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    char *arr[] = {"hello", "-a", "-l", NULL};
    execvp("ls", arr);
    perror("exec");
    exit(1);
}

3.实现流的重定向

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 3) {
        printf("usage:cmd + inputfile + outputfilen");
        return 1;
    }
    int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open read");
        exit(1);
    }
    dup2(fd, 0);
    close(fd);
    fd = open(argv[2], O_WRonLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd < 0) {
        perror("open write");
        exit(1);
    }
    dup2(fd, 1);
    close(fd);
    execl("./upper", "./upper", NULL);
    perror("exec");
    return 0;
}

四、wait和waitpid函数 1.一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：

如果正常终止则保存着退出状态，如果异常终止保存着导致该进程终止的信号是哪个。

父进程调用wait或waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。

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。

①如果一个进程已经终止，但它的父进程尚未调用wait或waitpid对它进行清理，这时的进程状态称为僵尸进程。可以用ps u查看进程状态。

②如果用kill -9去杀掉一个僵尸进程：僵尸进程还在杀不了。但杀父进程是可以的。

 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    if (pid == 0) {
        int n = 5;
        while (n > 0) {
            printf("Is child processn");
            sleep(1);
            n--;
        }
    } else {
        int stat_val;
        waitpid(pid, &stat_val, 0);
        if (WIFEXITED(stat_val)) {
            printf("child exited with code: %dn", WEXITSTATUS(stat_val));
        } else if (WIFSIGNALED(stat_val)) {
            printf("child terminated abnormally, signal is %dn %dn", WTERMSIG(stat_val));
        }
    }
    return 0;
}

2.父进程调用wait或waitpid可能会：

①阻塞（所有子进程还在运行）

②带子进程的终止信息立即返回（如果一个子进程已终止，正等待父进程读取其终止信息）

③出错立即返回（没有任何子进程）

3.wait VS waitpid

如果父进程的所有子进程都在运行，调用wait将使父进程阻塞，而调用waitpid如果在options参数中指定WNOHANG可使父进程不阻塞而立即返回0。

wait等待任一停止的子进程，而waitpid通过pid参数指定等待哪一个子进程。

五、进程间通信 1.IPC: interProcess communication

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，所以进程之间要交换数据必须通过内核。

在内核开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷贝到内核缓冲区，进程2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。

2.管道

①管道是一种最基本的IPC机制，由pipe函数创建。

调用pipe函数时在内核开辟一块缓冲区（管道）用于通信，有一个读端一个写端，然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符。

filedes[0]指向管道读端，filedes[1]指向管道写端

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    pid_t pid;
    int fd[2], n;
    char buf[20];
    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("pipe");
        exit(1);
    }
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    if (pid > 0) {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "hello pipen", 11);
        wait(NULL);
    } else {
        close(fd[1]);
        sleep(1);
        n = read(fd[0], buf, 20);
        write(1, buf, n);
    }
    return 0;
}

②使用管道注意以下4中特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

如果所有指向管道写端的文件描述符关闭了，而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中神域数据都被读取后，再次read会返回0，像读到文件末尾一样。

如果有指向管道写端的文件描述符没有关闭，而持有管道写端的进程也没有向管道写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余数据被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读才读取数据并返回。

如果所有指向管道读端的文件描述符关闭了，这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。

如果有指向管道读端的文件描述符没关闭，而持有管道读端的进程也没从管道读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，知道管道中有空位置才写入数据并返回。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    pid_t pid;
    int fd[2], n;
    char buf[20];
    char test[1024];
    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("pipe");
        exit(1);
    }
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    if (pid > 0) {
        close(fd[0]);
        for (int i = 0; i< 100; i++) {
            write(fd[1], test, 1024);
            printf("i=%dn", i);
        }
        wait(NULL);
    } else {
        close(fd[1]);
        sleep(10);
    }
    return 0;
}