Linux 进程

Linux 进程

　　在用户空间，进程是由进程标识符（PID）表示的。从用户的角度来看，一个 PID 是一个数字值，可惟一标识一个进程。一个 PID 在进程的整个生命期间不会更改，但 PID 可以在进程销毁后被重新使用，所以对它们进行缓存并不见得总是理想的。

进程表示

　　在 Linux 内核内，进程是由相当大的一个称为 task_struct 的结构表示的。此结构包含所有表示此进程所必需的数据，此外，还包含了大量的其他数据用来统计（accounting）和维护与其他进程的关系（父和子）。

struct task_struct {

    volatile long state;
    void *stack;
    unsigned int flags;

    int prio, static_prio;

    struct list_head tasks;

    struct mm_struct *mm, *active_mm;

    pid_t pid;
    pid_t tgid;

    struct task_struct *real_parent;

    char comm[TASK_COMM_LEN];

    struct thread_struct thread;

    struct files_struct *files;

    ...

};

进程管理

　　在很多情况下，进程都是动态创建并由一个动态分配的 task_struct 表示。一个例外是init 进程本身，它总是存在并由一个静态分配的 task_struct 表示。

　　在 Linux 内虽然进程都是动态分配的，但还是需要考虑最大进程数。在内核内最大进程数是由一个称为max_threads 的符号表示的，它可以在 ./linux/kernel/fork.c 内找到。可以通过 /proc/sys/kernel/threads-max 的 proc 文件系统从用户空间更改此值。

　　Linux进程分为两种基本类型，分别为内核进程和用户进程。内核进程通过内核中kernel_thread()函数创建的，用户进程通过fork()和clone()创建。

进程的创建&内存的复制

　　创建一个子进程，就创建了一个新的子任务，并为它复制了父进程的内存。但是这两个进程使用的内存是相互独立的。在调用fork函数的时候，父进程当时的所有变量对子进程都是可见的，fork函数执行完成之后，父进程的变量对于子进程来说就隐藏了。

　　在创建一个新进程时，父进程使用的内存并不是真正的全部复制给子进程。它们都指向同一处内存空间，但是把内存页面标记为copy-on-write。当任何一个进程试图向这些内存中写入内容时，就会产生一组新的内存页面由这个进程私有。这样，通过这种方法提高了创建新进程的效率，因为内存空间的复制推迟到了发生写操作的时候。

进程相关API

　　Linux下进程模型提供了很多API函数，下面的这些函数可以完成基本的工作。

API函数	用途
fork	创建子进程
wait	将进程挂起，直到子进程退出
waitpid	将进程挂起，直到指定子进程退出
signal	注册新的信号
pause	将进程挂起，直到捕捉到信号
kill	向某个指定的进程发出信号
raise	向当前进程发出信号
exec	将当前进程映像用一个新的进程映像来替换
exit	正常终止当前进程

函数详解&具体应用

　　日常编程中，我们常用到多进程的方式，可以让我们的程序同步执行多个任务。接下来，从函数原型依次介绍并用实例来分析。

进程的创建fork

　　API函数fork用于在一个已经存在的父进程中创建一个新的进程，子进程除了ID与父进程不同，其余都相同。

pid_t fork( void );
//pid_t是进程描述符
//返回值：>0, 当前进程就是父进程;==0,当前进程就是子进程;<0,失败
//返回值<0时,有两种错误,都是内存不足问题,分别为EAGAIN/ENOMEM

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

int main()
{
    pid_t pid;
    
    pid = fork();
    if(pid > 0)
        printf("Parent process pid: %d\n",getpid());
    else if(pid == 0)
        printf("Child process pid: %d\n",getpid());
    else
        printf("fork error!\n");
    
    return 0;
}

进程关闭exit

　　API函数exit终止调用进程，传入exit的参数会返回给父进程。

　　子进程调用exit函数还会向父进程发出SIGCHLD信号，释放当前进程的资源。

//关闭进程
void exit( int status );
//status用来保存状态信息

信号signal

　　signal_handler函数允许用户为进程注册信号句柄。在信号被注册后，就可以在需要的时候调用信号API函数。

　　PS: 在做一个WIN32控制台下的程序时候需要动态控制，我就利用SIGINT信号，在程序运行的过程中使用CTRL+C，调用中断函数完成操作。

//信号句柄
void signal_handler( int signal_number );

//注册信号
sighandler_t signal( int signum, sighandler_t handler );
//signum为信号类型
//handler为与信号相关联的动作

//sighandler_t的类型定义：typedef void (*sighandler_t)(int)  *****指向函数的指针******

　　进程的信号句柄分为三种类型，分别为忽略类型、默认指定类型和用户自定义句柄类型。

　　例子：

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

void catch_signal_ctrl_c(int sig_num)
{
    printf("catch signal ctrl+n");
    fflush(stdout);
}

int main()
{
    signal(SIGINT, catch_signal_ctrl_c);       //注册信号SIGINT软件中断,通过输入ctrl+c可以发出
    
    printf("run a pause");
    pause();                          //进程挂起，等待信号
    
    return 0;
}

进程挂起pause

　　函数pause会把进程挂起，直到接收到信号。在信号接收后，进程会从pause函数中退出，继续运行。 

//挂起
int pause( void );

向当前进程发送信号raise

　　raise函数只可以向当前进程发出信号。

int raise( int sig_num );

　　例子：

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

void catch_signal_ctrl_c(int sig_num)
{
    printf("catch signal ctrl+n");
    fflush(stdout);
}

int main()
{
    signal(SIGINT, catch_signal_ctrl_c);       //注册信号SIGINT软件中断,通过输入ctrl+c可以发出
    
    raise(SIGINT);
    
    return 0;
}

向其他进程发送信号kill

　　kill函数可以向一个进程或一系列进程发送信号。

int kill( pid_t pid, int sig_num );

　　参数pid的不同会有不同的效果：

pid	说明
>0	发送信号到pid指定进程
0	发送信号到与本进程同组的所有进程
-1	发送信号到所有进程（init进程除外）
<0	发送信号到由pid绝对值指定的进程组中的所有进程

 

进程挂起wait&waitpid

　　wait函数与waitpid函数都是将进程挂起，直到某个进程退出或信号发生，避免僵尸进程的产生。

　　子进程退出，父进程没有等待(调用wait / waitpid)它， 那么她将变成一个僵尸进程。 但是如果该进程的父进程已经先结束了，那么该进程就不会变成僵尸进程， 因为每个进程结束的时候，系统都会扫描当前系统中所运行的所有进程， 看有没有哪个进程是刚刚结束的这个进程的子进程，如果是的话，就由Init 来接管它，成为它的父进程

　　wait只根据任何一个子进程退出状态。

pid_t wait( int *status );
//返回退出子进程的pid值,如果为-1,发生错误
//status用来保存子进程退出的状态信息

　　通过评估函数可以知道子进程退出的状态信息。

宏	说明
WIFEXITED	如果子进程正常退出,则不为0
WEXITSTATUS	返回子进程的exit状态
WIFSIGNALED	如果子进程因为信号退出,则为ture
WTERMSIG	返回引起子进程退出的信号号(仅在WIFSIGNALED为ture的时候)

　　例子：

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

int main()
{
    pid_t pid;
    int status;
    
    pid = fork();
    if(pid > 0){
        printf("Parent process, pid: %d\n", getpid());
        
        printf("父进程挂起！\n");        
        pid = wait(&status);
        
        printf("父进程恢复\n");
        
    }else if(pid == 0){
        
        printf("Child process, pid: %d\n", getpid());
        printf("子进程退出\n");
        exit(status);
        
    }else{
        printf("fork error\n");
    }
    
    return 0;
}

　　waitpid是挂起父进程直到某个指定的子进程退出。

pid_t waitpid( pid_t pid, int *status, int options);
//pid用来指定进程
//status保存退出进程状态
//options有两种选择,WNOHANG/WUNTRACED

/*
WNOHANG:设定在子进程未退出时也不挂起调用进程,但仅在子进程退出时返回
WUNTRACED:返回已经停止而且自停止之后还未报告状态的子进程
*/

　　pid的取值：

pid	说明
>0	挂起直到由pid指定的子进程退出
0	挂起直到任何一个与调用进程的组ID相同的子进程退出
-1	挂起直到任何子进程退出,与wait相同
<-1	挂起直到任何一个其组ID与pid参数的绝对值相同的子进程退出

　　waitpid增加两个宏：

　　　　WIFSTOPPED: 如果子进程现在已经停止，返回true

　　　　WSTOPSIG:　 返回使子进程停止的信号（WIFSTOPPED为true）　

发送警告信号alarm

　　alarm函数在其他函数超时的时候会发送一个SIGALRM信号。

unsigned it alarm( unsigned int secs );
//secs为时间,单位为秒
//如果在超时，未接收到警告信号，返回0，否则，返回等待警告信号的时间

 　　例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>

void wakeup(int sig_num)
{
    print("timeout quit");
    raise(SIGINT);//产生中断信号
}

int main()
{
    int ret;
    char buffer[1024];
    
    signal(SIGALRM, wakeup);
    
    printf("timeout in 3 seconds, please enter your password\n");
    alarm(3);
    
    ret = read(0, buffer, 1023);
    if(ret >= 0){
        buffer[strlen(buffer)-1]='\0';
        printf("password : %s", buffer);
    }
    
    return 0;
}

替换当前进程exec

　　exec函数用于完全替换当前进程映像。实际上，就是用一个新的程序来替换当前的进程。值得注意的是，如果替换了，就不可能恢复，是完全的替换。

int execl( const char *path, const char *arg, ... )
//path确定要运行的程序
//其他都为参数

/*
例子：
   execl( "/bin/ls", "ls", "-la", NULL  );
   //用ls命令程序来替换当前进程  
*/

　　例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>


int main()
{
    int status;
    char cmd[100];
    char* ret;
    pid_t pid;
    
    while(1){
        printf("mysh>>");
        ret = fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin);
        if(ret == NULL)
            exit(-1);
        cmd[strlen(cmd)-1]='\0';
        
        if(!strncmp(cmd, "quit", 4))
            exit(0);
            
        pid = fork();
        if(pid == 0){
            execlp(cmd, cmd, NULL);
        }else if(pid >0){
            waitpid(pid, &status, 0);
        }
        printf("\n");
    }
}

参考

GNU/LINUX环境编程

http://www.cnblogs.com/avril/archive/2010/03/22/1691793.html

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-process-management/

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