系统编程学习笔记 01_,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-优快云博客

本文围绕进程展开，介绍了进程相关概念，如程序与进程区别、并发及多道程序设计等。阐述了环境变量的特征、常见类型及相关操作函数。还讲解了进程控制原语，包括fork、getpid等函数，以及父子进程共享情况和exec函数族的使用。

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进程相关的概念

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。同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)

并发：(时钟中断硬件手段)

单道程序设计

多道程序设计

时钟终端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，进程分时复用 cpu 资源。实质上，并发是宏观并行，围观串行！

cpu/mmu:(中央处理器/内存管理单元)

mmu:(按照page单位分配内存)
- 虚拟内存与物理内存的映射(pcb位于同一块物理内存里)
- 设置修改内存访问级别

进程控制块PCB:（task_struct结构体）

重点掌握如下:
- 进程id，系统中的每个进程有唯一的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，有初始，就绪，运行，挂起，终止等状态
- 进程切换时需要保存和恢复一些 CPU 寄存器的值
- 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线(Resource )

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。通常具备一下特征。

字符串(本质)
有统一的格式: 名=值[:值]
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()
{
    int i;
    for(i = 0; environ[i]; i++) {
        printf("%s\n", environ[i]);
    }
    return 0;
}

常见的环境变量

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，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。

getenv 函数

获取环境变量的值

char *getenv(const char *name); 成功: 返回环境变量的值; 失败: NULL(name 不存在)

练习：编程实现 getenv 函数

#include <stdio.h>

extern char **environ;

char *getenv(const char *name) {
    printf("%s\n", name);
    int i, j;
    for(i = 0; environ[i]; i++) {
        //printf("%s\n\n", environ[i]);
        for(j = 0; environ[i][j]; j++) {
            if(environ[i][j] != name[j]) {
                break;
            }
        }
        if(environ[i][j] == '=') {
            return environ[i];
        }
    }
    return NULL; 
}
int main()
{
    char *s = getenv("PATH");
    if(s != NULL) {
        printf("%s\n", s);
    }
    else printf("-1\n");
    return 0;
}

setenv 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:
- 非 0: 覆盖原环境变量
- 0: 不覆盖。(该参数常用于设置新环境变量，如: ABC = haha-day-night)

unsetenv 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。

练习：熟悉上述三个函数的使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    char *val;
    val = getenv("ABC");
    printf("env:%s,val:%s\n", "ABC", val);
    if(setenv("ABC", "lala", 1) == -1) {
        perror("set error");
        exit(1);
    }
    val = getenv("ABC");
    printf("env:%s,val:%s\n", "ABC", val);
    if(unsetenv("ABC") == -1)
    {
        perror("unset error");
        exit(1);
    }
    val = getenv("ABC");
    printf("env:%s,val:%s\n", "ABC", val);
    
    return 0;
}

进程控制原语

fork 函数

创建一个子进程

pid_t fork(void);
- 失败返回 -1;
- 成功返回:
  - 父进程返回子进程的 ID(非负)
  - 子进程返回 0

getpid 函数

获取当前进程的 pid

pid_t getpid(void);

getppid 函数

获取当前进程的父进程 pid

pid_t getppid(void);

练习：创建 5 代进程

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int now;
void dfs()
{
    if(now == 5) return ;
    printf("pid==%d, ppid==%d\n", getpid(), getppid());
    pid_t pid = fork();
    if(pid == -1) {
        perror("fork error");
        exit(1);
    }
    else if(pid == 0) {
        now++;
        dfs();
    }
}
int main(void)
{
    printf("start\n");
    dfs();
    sleep(1);
    return 0;
}

getuid 函数

获取当前进程实际用户 ID

uid_t getuid(void);

获取当前进程有效用户 ID

uid_t geteuid(void);

getgid 函数

获取当前进程实际用户组 ID

gid_t getgid(void);

获取当前进程有效用户组 ID

gid_t getegid(void);

进程共享

父子进程之间在 fork 后。有哪些相同，哪些异同之处呢？

刚 fork 之后：

父子相同处：全局变量、.data、.text、堆、共享库、栈、环境变量、用户ID、宿主目录、进程工作目录、信号处理方式…
父子不同处：进程ID、fork返回值、父进程ID、进程运行时间、闹钟(定时器)、未决信号集

父子进程间遵循读时共享写时复制的原则，目的节省内存开销

【重点】父子进程共享：1.文件描述符(打开文件的结构体)，2.mmap建立的映射区(进程间通信详解)

特别的，fork之后父子进程谁先执行，取决于内核所使用的调度算法。

exec 函数族

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。调用 exec 并不创建新进程，所以调用 exec 前后该进程的 id 并未改变。

//set follow-fork-mode child

//set follow-fork-mode parent

**int execl(const char path, const char arg, …) //用户自定义
- 加载一个进程，通过路径+程序名来加载。
**int execlp(const char file, const char arg, …) //系统可执行程序
- 加载一个程序，借助 PATH 环境变量
- 参数 1: 要加载的程序的名字。该函数需要配合 PATH 环境变量来使用，当 PATH 中所有目录搜索后没有参数 1 则出错返回。
- 该函数通常用来调用系统程序。如: ls、date、cp、cat 等命令
- 练习：fork 一个子进程让其执行 ls 命令
  - ```
  #include <cstdlib>
  #include <cstdio>
  #include <unistd.h>
  #include <iostream>
  using namespace std;
  int main(void)
  {
      pid_t pid;
      pid = fork();
      if(pid == -1) {
          perror("fork error");
          exit(1);
      } else if(pid > 0) {
          cout << "parent" << endl;
      } else {
          execlp("ls", "ls", "-l", "-a", NULL);
      }
      return 0;
  }
```
**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 execve(const char *path, char const argv[], char const envp[]);

练习：将当前系统中进程的信息，打印到文件中。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
using namespace std;
int main(void)
{
    int fd = open("ps.out", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if(fd == -1) {
        perror("fd error");
        exit(1);
    }
    dup2(fd, STDOUT_FILENO);
    execlp("ps", "ps", "aux", NULL);//调用错误 -1，没有成功返回值
    perror("exec error");
    exit(1);
    close(fd);
    return 0;
}