linux基础编程：进程基础总结

简介

        程序是一组可执行的静态指令集，而进程(process)是一个执行中的程序实例。利用分时技术，在Linux操作系统上同时可以运行多个进程。分时技术的基本原理是把CPU的运行时间划分成一个个规定长度的时间片，让每个进程在一个时间片内运行。当进程的时间片用完时系统就利用调度程序切换到另一个进程去运行。因此实际上对于具体单个CPU的机器来说某一个时刻只能运行一个进程。但由于每个进程运行的时间片很短(例如15个系统滴答=150ms)，所以表面看起来好像所有进程在同时运行着。

　　在linux系统中，第一个进程是"手工"建立的，其余的都是进程使用系统调用fork创建的新进程，被创建的进程成为子进程(Child Process)，创建者，则称为父进程(parent process)。内核程序使用进程标识号(process ID,pid)来标识每个进程，利用ppid来标识父进程。进程由可执行的指令代码，数据和堆栈区组成。进程中的代码和数据部分分别对应一个可执行文件中的代码段，数据段。每个进程只能执行自己的代码和访问自己的数据及堆栈区。进程之间相互之间的通信需要通过系统调用来进行。对于只有一个CPU的系统，在某一个时刻只能有一个进程正在运行。内核通过进程调度程序分时调度各个进程运行。

　　Linux系统中，一个进程可以在内核态(Kernal mode)或者用户态(user mode)下执行，因此Linux内核堆栈和用户堆栈是分开的。用户堆栈用于进程在用户态下临时保存调用函数的参数，局部变量等数据。内核堆栈则含有内核程序执行函数调用时的信息。

        在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）。PCB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，其中最重要的莫过于进程ID（process ID）了，进程ID也被称作进程标识符，是一个非负的整数，在Linux操作系统中唯一地标志一个进程，在我们最常使用的I386架构（即PC使用的架构）上，一个非负的整数的变化范围是0-32767，这也是我们所有可能取到的进程ID。其实从进程ID的名字就可以看出，它就是进程的身份证号码，每个人的身份证号码都不会相同，每个进程的进程ID也不会相同。下面将会详细分析PCB数据结构。

PCB进程控制块

        在linux 中每一个进程都由task_struct 数据结构来定义. task_struct就是我们通常所说的PCB.她是对进程控制的唯一手段也是最有效的手段. 当我们调用fork() 时, 系统会为我们产生一个task_struct结构。然后从父进程,那里继承一些数据, 并把新的进程插入到进程树中, 以待进行进程管理。因此了解task_struct的结构对于我们理解任务调度(在linux 中任务和进程是同一概念)的关键。
        在进行剖析task_struct的定义之前，我们先按照我们的理论推一下它的结构：

1. 进程状态 ,将纪录进程在等待,运行,或死锁
2. 调度信息, 由哪个调度函数调度,怎样调度等
3. 进程的通讯状况
4. 因为要插入进程树,必须有联系父子兄弟的指针, 当然是task_struct型
5. 时间信息, 比如计算好执行的时间, 以便cpu 分配
6. 标号 ,决定改进程归属
7. 可以读写打开的一些文件信息
8. 进程上下文和内核上下文
9. 处理器上下文
10. 内存信息

        因为每一个PCB都是这样的, 只有这些结构, 才能满足一个进程的所有要求。打开/include/linux/sched.h可以找到task_struct 的定义。

常用的进程操作函数

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);

获取当前进程ID和父进程ID

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

在Linux中，创造新进程的方法只有一个，就是我们正在介绍的fork。其他一些库函数，如system()，看起来似乎它们也能创建新的进程，如果能看一下它们的源码就会明白，它们实际上也在内部调用了fork。包括我们在命令行下运行应用程序，新的进程也是由shell调用fork制造出来的。fork函数一大特性是：在fork()的调用处，整个父进程空间会原模原样地复制到子进程中，包括指令，变量值，程序调用栈，环境变量，缓冲区，等等。经典的关于fork的面试题： http://coolshell.cn/articles/7965.html

#include <stdlib.h>

int system(const char *command);

该函数是在标准库下的创建进程函数，该函数通过shell启动一个想要执行的程序。由该函数启动的进程结束以后，父进程才继续执行。

#include <unistd.h>

extern char **environ;

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg,..., char * const envp[]);
       
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

上面函数主要分为两类。第一类是可变参数，第二类是利用字符串数组。在启动一个新的程序时，把argv数组或者可变序列字符串传给main函数。以字母p结束是PATH路径下搜索程序。全局变量environ可以用来传递一个值到新的程序环境中，函数execle或execvpe可以通过envp传递字符串数组来作为新的环境变量。一般情况下，exec函数是不会返回的。除非发生错误。并且执行exec函数以后，后面的代码空间将被指定的程序覆盖，除非出现错误，后面的代码将不会执行。

#include <stdlib.h>

void exit(int status);

进程退出函数。一个进程调用了exit之后，该进程并非马上就消失掉，而是留下一个称为僵尸进程（Zombie）的数据结构。在Linux进程的5种状态中，僵尸进程是非常特殊的一种，它已经放弃了几乎所有内存空间，没有任何可执行代码，也不能被调度，仅仅在进程列表中保留一个位置，记载该进程的退出状态等信息供其他进程收集，除此之外，僵尸进程不再占有任何内存空间。僵尸进程中保存着很多对程序员和系统管理员非常重要的信息，首先，这个进程是怎么死亡的？是正常退出呢，还是出现了错误，还是被其它进程强迫退出的？其次，这个进程占用的总系统CPU时间和总用户CPU时间分别是多少？发生页错误的数目和收到信号的数目。这些信息都被存储在僵尸进程中，试想如果没有僵尸进程，进程一退出，所有与之相关的信息都立刻归于无形，而此时程序员或系统管理员需要用到，就只好干瞪眼了。
那么，我们如何收集这些信息，并终结这些僵尸进程呢？就要靠我们下面要讲到的waitpid调用和wait调用。这两者的作用都是收集僵尸进程留下的信息，同时使这个进程彻底消失。下面就对这两个调用分别作详细介绍。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

进程一旦调用了wait，就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。参数status用来保存被收集进程退出时的一些状态，它是一个指向int类型的指针。但如果我们对这个子进程是如何死掉的毫不在意，只想把这个僵尸进程消灭掉，（事实上绝大多数情况下，我们都会这样想），我们就可以设定这个参数为NULL。

如果参数status的值不是NULL，wait就会把子进程退出时的状态取出并存入其中，这是一个整数值（int），指出了子进程是正常退出还是被非正常结束的，以及正常结束时的返回值，或被哪一个信号结束的等信息。由于这些信息被存放在一个整数的不同二进制位中，所以用常规的方法读取会非常麻烦，人们就设计了一套专门的宏（macro）来完成这项工作，下面我们来学习一下其中最常用的两个：
1，WIFEXITED(status) 这个宏用来指出子进程是否为正常退出的，如果是，它会返回一个非零值。
2，WEXITSTATUS(status) 当WIFEXITED返回非零值时，我们可以用这个宏来提取子进程的返回值，如果子进程调用exit(5)退出，WEXITSTATUS(status)就会返回5；如果子进程调用exit(7)，WEXITSTATUS(status)就会返回7。请注意，如果进程不是正常退出的，也就是说，WIFEXITED返回0，这个值就毫无意义。