文件编程中的进程与多任务处理-优快云博客

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一、进程的概念

1.进程的定义

进程是程序在内存中运行时的一个实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。例如，当我们运行一个程序（如 QQ）时，每次运行都会创建一个新的进程。即使运行的是同一个程序，每次创建的进程都是独立的。

例如，`main.c`是程序的源代码文件，而`a.out`是编译后的可执行程序。运行`a.out`的命令（如`./a.out`）会将程序加载到内存中，形成一个进程。

2.进程与程序的区别

• 程序：静态的代码和数据的集合，存储在磁盘上。

• 进程：动态的程序执行过程，运行在内存中。

例如：

• 程序：`main.c`（源代码文件）。

• 进程：编译后运行的`a.out`文件。

二、为什么需要进程？

1.历史背景

• 第一台计算机（ENIAC）一次只能运行一个程序。

• 随着 CPU 性能的提升，单片机和多核处理器的出现，计算机需要同时处理多个任务。

2.进程的作用

• 并发与并行：实现多个任务同时运行（并发）或同时执行（并行）。

• 资源管理：操作系统通过进程来管理计算机的软硬件资源。

三、进程的组成

1.程序的组成

程序由代码和数据组成，具体分为以下几个部分：

• 代码区（text）：存放程序的指令。

• 数据区（data）：存放已初始化的全局变量和静态变量。

• BSS 区（bss）：存放未初始化的全局变量和静态变量。

• 堆（heap）：动态分配的内存区域。

• 栈（stack）：用于函数调用时的局部变量存储。

2.进程的组成

进程不仅包括程序的代码和数据，还包括进程控制块（PCB，Process Control Block）。

PCB 的内容

• PID（进程 ID）：唯一标识一个进程。

• PPID（父进程 ID）：标识父进程的 ID。

• 当前工作路径：进程的工作目录。

• 打开的文件列表：进程打开的文件描述符。

• 信号相关设置：处理异步事件的信号信息。

• 用户 ID 和组 ID：标识进程的用户和组。

四、进程的状态

进程的状态可以通过`ps`命令查看，常见的状态包括：

状态    含义
R     运行态或可运行态
S     可中断睡眠态
D     不可中断睡眠态
T     暂停态
Z     僵尸态
X     已退出

可以通过以下命令查看进程状态：

• `ps -aux`：查看系统中所有进程的详细信息。

• `ps -eLf`：查看系统中所有进程的线程信息。

五、进程管理的命令

1.`top`命令

类似于 Windows 的任务管理器，用于动态查看系统中进程的运行情况。可以实时显示系统的 CPU 使用率、内存使用率以及各进程的资源占用情况。

2.`ps`命令

用于查看当前系统中的进程信息。常用参数包括：

• `-e`：显示所有进程。

• `-f`：显示完整的进程信息。

• `-L`：显示所有线程。

• `-aux`：显示更详细的进程信息。

常用示例：

```bash
ps -eLf | head -1 # 查看进程信息的标题行
ps -eLf | grep a.out # 查找包含 "a.out" 的进程
ps -aux | grep a.out # 查找包含 "a.out" 的进程
```

3.`pstree`命令

用于查看进程的树状结构。可以清晰地展示进程之间的父子关系。常用参数包括：

• `-p`：显示进程 ID。

• `-sp`：显示进程的父进程 ID。

示例：

```bash
pstree -sp 5934 # 查看 PID 为 5934 的进程的树状结构
```

4.`kill`命令

用于向进程发送信号。常用的信号包括：

• `-9`：强制终止进程。

• `-15`（默认）：向进程发送终止信号。

示例：

```bash
kill -9 5266 # 强制终止 PID 为 5266 的进程
kill -l # 查看所有可用的信号
```

六、Linux 下的进程编程

1.创建进程：`fork()`

`fork()`是创建进程的核心函数，用于从当前进程中克隆一个子进程。

函数原型

```c
pid_t fork(void);
```

返回值

• 在父进程中：返回子进程的 PID（>0）。

• 在子进程中：返回 0。

• 失败时：返回-1，并设置`errno`。

示例代码

```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("Fork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
// 子进程
printf("This is the child process, PID: %d\n", getpid());
} else {
// 父进程
printf("This is the parent process, PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), pid);
}
return 0;
}
```

2.进程的状态与关系

• 孤儿进程：父进程退出后，子进程仍然存在，由`init`进程（PID 为 1）收养。

• 僵尸进程：子进程退出后，父进程未回收子进程的资源，子进程进入僵尸态。

3.练习

练习 1
创建子进程，让父进程和子进程分别打印"hello"。

```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("Fork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
// 子进程
while (1) {
printf("Child: hello\n");
sleep(1);
}
} else {
// 父进程
while (1) {
printf("Parent: hello\n");
sleep(1);
}
}
return 0;
}
```

练习 2
通过`fork()`创建多个进程，验证父子进程的关系。

```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("Fork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
printf("Child process %d, PID: %d, Parent PID: %d\n", i, getpid(), getppid());
break;
}
}
if (getpid() == getppid()) {
printf("Parent process, PID: %d\n", getpid());
}
return 0;
}
```