第7章進(jìn)程控制開發(fā)

1、本章的要求第7章、進(jìn)程控制 u掌握進(jìn)程相關(guān)的基本概念 u掌握Linux下的進(jìn)程結(jié)構(gòu) u掌握Linux下進(jìn)程創(chuàng)建及進(jìn)程管理 u掌握Linux下進(jìn)程創(chuàng)建相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用 u掌握守護(hù)進(jìn)程的概念 u掌握守護(hù)進(jìn)程的啟動(dòng)方法 u掌握守護(hù)進(jìn)程的輸出及建立方法 u學(xué)會(huì)編寫多進(jìn)程程序 學(xué)會(huì)編寫守護(hù)進(jìn)程 本章的主要內(nèi)容7.1 Linux進(jìn)程概述 7.2 Linux進(jìn)程控制編程 7.3 Linux守護(hù)進(jìn)程7.4 實(shí)驗(yàn) 7.1 Linux進(jìn)程概述進(jìn)程的定義 進(jìn)程的概念首先是在60年代初期由MIT的Multic

2、s系統(tǒng)和IBM的TSS/360系統(tǒng)引入的。在40多年的發(fā)展中，人們對(duì)進(jìn)程有過各種各樣的定義?，F(xiàn)列舉較為著名的幾種。l進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立的可調(diào)度的活動(dòng)（E. Cohen，D. Jofferson）l進(jìn)程是一個(gè)抽象實(shí)體，當(dāng)它執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)，要分配和釋放各種資源（P. Denning）l進(jìn)程是可以并行執(zhí)行的計(jì)算單位。（S. E. Madnick，J. T. Donovan）以上進(jìn)程的概念都不相同，但其本質(zhì)是一樣的。它指出了進(jìn)程是一個(gè)程序的一次執(zhí)行的過程，同時(shí)也是資源分配的最小單元。它和程序是有本質(zhì)區(qū)別的，程序是靜態(tài)的，它是一些保存在磁盤上的指令的有序集合，沒有任何執(zhí)行的概念；而進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，它是

3、程序執(zhí)行的過程，包括了動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、調(diào)度和消亡的整個(gè)過程。它是程序執(zhí)行和資源管理的最小單位。進(jìn)程控制塊和標(biāo)識(shí)符 進(jìn)程是Linux系統(tǒng)的基本調(diào)度和管理資源的單位，它是通過進(jìn)程控制塊來描述的。進(jìn)程控制塊包含了進(jìn)程的描述信息、控制信息以及資源信息，它是進(jìn)程的一個(gè)靜態(tài)描述。在Linux中，進(jìn)程控制塊中的每一項(xiàng)都是一個(gè)task_struct結(jié)構(gòu)。 在Linux中最主要的進(jìn)程標(biāo)識(shí)有進(jìn)程號(hào)（PID，Process Idenity Number）和它的父進(jìn)程號(hào)（PPID，parent process ID）。其中PID惟一地標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程。PID和PPID都是非零的正整數(shù)。在Linux中

4、獲得當(dāng)前進(jìn)程的PID和PPID的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)為getpid()和getppid()，通常程序獲得當(dāng)前進(jìn)程的PID和PPID之后，可以將其寫入日志文件以做備份。 另外，進(jìn)程標(biāo)識(shí)還有用戶和用戶組標(biāo)識(shí)、進(jìn)程時(shí)間、資源利用情況等 進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程是程序的執(zhí)行過程，根據(jù)它的生命周期可以劃分成3種狀態(tài)。 執(zhí)行態(tài)：該進(jìn)程正在運(yùn)行，即進(jìn)程正在占用CPU。 就緒態(tài)：進(jìn)程已經(jīng)具備執(zhí)行的一切條件，正在等待分配CPU的處理時(shí)間片。 等待態(tài)：進(jìn)程不能使用CPU，若等待事件發(fā)生（等待的資源分配到）則可將其喚醒。 Linux下進(jìn)程地址空間（1）Linux系統(tǒng)是一個(gè)多進(jìn)程

5、的系統(tǒng)，它的進(jìn)程之間具有并行性、互不干擾等特點(diǎn)。也就是說，每個(gè)進(jìn)程都是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行單位，擁有各自的權(quán)利和責(zé)任。其中，各個(gè)進(jìn)程都運(yùn)行在獨(dú)立的虛擬地址空間，因此，即使一個(gè)進(jìn)程發(fā)生異常，它也不會(huì)影響到系統(tǒng)中的其他進(jìn)程。Linux中的進(jìn)程包含3個(gè)段，分別為“數(shù)據(jù)段”、“代碼段”和“堆棧段”。 “數(shù)據(jù)段”存放的是全局變量、常數(shù)以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分配的數(shù)據(jù)空間，根據(jù)存放的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)段又可以分成普通數(shù)據(jù)段（包括可讀可寫/只讀數(shù)據(jù)段，存放靜態(tài)初始化的全局變量或常量）、BSS數(shù)據(jù)段（存放未初始化的全局變量）以及堆（存放動(dòng)態(tài)分配的數(shù)據(jù)）。 “代碼段”存放的是程序代碼的數(shù)據(jù)。 “堆棧段”存放的是子程序的返回地址、子程序

6、的參數(shù)以及程序的局部變量等。 Linux下進(jìn)程地址空間、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)堆棧堆數(shù)據(jù)段（可讀/只讀）數(shù)據(jù)段代碼段存放傳遞參數(shù)及環(huán)境變量BSS數(shù)據(jù)段 低地址高地址用戶進(jìn)程內(nèi)核進(jìn)程用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)中斷或系統(tǒng)調(diào)用 Linux下的進(jìn)程管理 啟動(dòng)進(jìn)程 l手工啟動(dòng) l調(diào)度啟動(dòng) 進(jìn)程相關(guān)命令 7.2 Linux進(jìn)程控制編程創(chuàng)建進(jìn)程（1）在Linux中創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程的方法是使用fork()函數(shù)。 fork()函數(shù)用于從已存在的進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。新進(jìn)程稱為子進(jìn)程，而原進(jìn)程稱為父進(jìn)程。使用fork()函數(shù)得

7、到的子進(jìn)程是父進(jìn)程的一個(gè)復(fù)制品，它從父進(jìn)程處繼承了整個(gè)進(jìn)程的地址空間，包括進(jìn)程上下文、代碼段、進(jìn)程堆棧、內(nèi)存信息、打開的文件描述符、信號(hào)控制設(shè)定、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、進(jìn)程組號(hào)、當(dāng)前工作目錄、根目錄、資源限制和控制終端等，而子進(jìn)程所獨(dú)有的只有它的進(jìn)程號(hào)、資源使用和計(jì)時(shí)器等。因?yàn)樽舆M(jìn)程幾乎是父進(jìn)程的完全復(fù)制，所以父子兩個(gè)進(jìn)程會(huì)運(yùn)行同一個(gè)程序。因此需要用一種方式來區(qū)分它們，并使它們照此運(yùn)行，否則，這兩個(gè)進(jìn)程不可能做不同的事。創(chuàng)建進(jìn)程（2）實(shí)際上是在父進(jìn)程中執(zhí)行fork()函數(shù)時(shí)，父進(jìn)程會(huì)復(fù)制出一個(gè)子進(jìn)程，而且父子進(jìn)程的代碼從fork()函數(shù)的返回開始分別在兩個(gè)地址空間中同時(shí)運(yùn)行。

8、從而兩個(gè)進(jìn)程分別獲得其所屬fork()的返回值，其中在父進(jìn)程中的返回值是子進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)，而在子進(jìn)程中返回0。因此，可以通過返回值來判定該進(jìn)程是父進(jìn)程還是子進(jìn)程。同時(shí)可以看出，使用fork()函數(shù)的代價(jià)是很大的，它復(fù)制了父進(jìn)程中的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段里的大部分內(nèi)容，使得fork()函數(shù)的系統(tǒng)開銷比較大，而且執(zhí)行速度也不是很快。示例閱讀并運(yùn)行示例7-2-1exec函數(shù)族（1）exec函數(shù)族就提供了一個(gè)在進(jìn)程中啟動(dòng)另一個(gè)程序執(zhí)行的方法。它可以根據(jù)指定的文件名或目錄名找到可執(zhí)行文件，并用它來取代原調(diào)用進(jìn)程的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，在執(zhí)行完之后，

9、原調(diào)用進(jìn)程的內(nèi)容除了進(jìn)程號(hào)外，其他全部被新的進(jìn)程替換了。另外，這里的可執(zhí)行文件既可以是二進(jìn)制文件，也可以是Linux下任何可執(zhí)行的腳本文件。使用exec函數(shù)族主要有兩種情況 當(dāng)進(jìn)程認(rèn)為自己不能再為系統(tǒng)和用戶做出任何貢獻(xiàn)時(shí)，就可以調(diào)用exec函數(shù)族中的任意一個(gè)函數(shù)讓自己重生； 如果一個(gè)進(jìn)程想執(zhí)行另一個(gè)程序，那么它就可以調(diào)用fork()函數(shù)新建一個(gè)進(jìn)程，然后調(diào)用exec函數(shù)族中的任意一個(gè)函數(shù)，這樣看起來就像通過執(zhí)行應(yīng)用程序而產(chǎn)生了一個(gè)新進(jìn)程（這種情況非常普遍）。 exec函數(shù)族（2）exec函數(shù)族對(duì)應(yīng)位的含義示例閱讀并運(yùn)行示例7-2-2-1閱

10、讀并運(yùn)行示例7-2-2-2閱讀并運(yùn)行示例7-2-2-3閱讀并運(yùn)行示例7-2-2-4exit()和_exit() （1）exit()和_exit()函數(shù)都是用來終止進(jìn)程的。 _exit()函數(shù)的作用是：直接使進(jìn)程停止運(yùn)行，清除其使用的內(nèi)存空間，并清除其在內(nèi)核中的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；exit()函數(shù)則在這些基礎(chǔ)上做了一些包裝，在執(zhí)行退出之前加了若干道工序。exit()函數(shù)與_exit()函數(shù)最大的區(qū)別就在于exit()函數(shù)在調(diào)用exit系統(tǒng)之前要檢查文件的打開情況，把文件緩沖區(qū)中的內(nèi)容寫回文件，就是圖中的“清理I/O緩沖”一項(xiàng)。由于在Linux的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)中，有一種被稱作“緩

11、沖I/O（buffered I/O）”操作，其特征就是對(duì)應(yīng)每一個(gè)打開的文件，在內(nèi)存中都有一片緩沖區(qū)。每次讀文件時(shí)，會(huì)連續(xù)讀出若干條記錄，這樣在下次讀文件時(shí)就可以直接從內(nèi)存的緩沖區(qū)中讀??；同樣，每次寫文件的時(shí)候，也僅僅是寫入內(nèi)存中的緩沖區(qū)，等滿足了一定的條件（如達(dá)到一定數(shù)量或遇到特定字符等），再將緩沖區(qū)中的內(nèi)容一次性寫入文件。exit()和_exit() （2）進(jìn)程運(yùn)行進(jìn)程終止運(yùn)行調(diào)用exit系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用退出處理函數(shù)清理I/O緩沖 exit() _exit()這種技術(shù)大大增加了文件讀寫的速度，但也為編程帶來了一些麻煩。比如有些數(shù)據(jù)，認(rèn)為已經(jīng)被寫入到文件中，實(shí)際上因?yàn)闆]

12、有滿足特定的條件，它們還只是被保存在緩沖區(qū)內(nèi)，這時(shí)用_exit()函數(shù)直接將進(jìn)程關(guān)閉，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。因此，若想保證數(shù)據(jù)的完整性，就一定要使用exit()函數(shù)。 示例閱讀并運(yùn)行示例7-2-3wait()和waitpid() （1） wait()函數(shù)是用于使父進(jìn)程（也就是調(diào)用wait()的進(jìn)程）阻塞，直到一個(gè)子進(jìn)程結(jié)束或者該進(jìn)程接到了一個(gè)指定的信號(hào)為止。如果該父進(jìn)程沒有子進(jìn)程或者他的子進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束，則wait()就會(huì)立即返回。waitpid()的作用和wait()一樣，但它并不一定要等待第一個(gè)終止的子進(jìn)程，它還有若干選項(xiàng)，如可提供一

13、個(gè)非阻塞版本的wait()功能，也能支持作業(yè)控制。實(shí)際上wait()函數(shù)只是waitpid()函數(shù)的一個(gè)特例，在Linux內(nèi)部實(shí)現(xiàn)wait()函數(shù)時(shí)直接調(diào)用的就是waitpid()函數(shù)。 wait()和waitpid() （2）示例閱讀并執(zhí)行示例7-2-4Linux守護(hù)進(jìn)程 守護(hù)進(jìn)程就是后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程，它是一個(gè)生存期較長(zhǎng)的進(jìn)程，通常獨(dú)立于控制終端并且周期性地執(zhí)行某種任務(wù)或等待處理某些發(fā)生的事件。守護(hù)進(jìn)程常常在系統(tǒng)引導(dǎo)載入時(shí)啟動(dòng)，在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)終止。Linux有很多系統(tǒng)服務(wù)，大多數(shù)服務(wù)都是通過守護(hù)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的，守護(hù)進(jìn)程

14、還能完成許多系統(tǒng)任務(wù)，例如，作業(yè)規(guī)劃進(jìn)程crond、打印進(jìn)程lqd等（這里的結(jié)尾字母d就是Daemon的意思）。由于在Linux中，每一個(gè)系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交流的界面稱為終端，每一個(gè)從此終端開始運(yùn)行的進(jìn)程都會(huì)依附于這個(gè)終端，這個(gè)終端就稱為這些進(jìn)程的控制終端，當(dāng)控制終端被關(guān)閉時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)程都會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。但是守護(hù)進(jìn)程卻能夠突破這種限制，它從被執(zhí)行開始運(yùn)轉(zhuǎn)，直到整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)才會(huì)退出。如果想讓某個(gè)進(jìn)程不因?yàn)橛脩?、終端或者其他的變化而受到影響，那么就必須把這個(gè)進(jìn)程變成一個(gè)守護(hù)進(jìn)程。可見，守護(hù)進(jìn)程是非常重要的。 守護(hù)進(jìn)程 的編寫流程會(huì)話期 進(jìn)程組1進(jìn)程組2登錄shell進(jìn)程1進(jìn)程

15、2示例閱讀并運(yùn)行示例7-3-2守護(hù)進(jìn)程的出錯(cuò)處理 讀者在前面編寫守護(hù)進(jìn)程的具體調(diào)試過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于守護(hù)進(jìn)程完全脫離了控制終端，因此，不能像其他普通進(jìn)程一樣將錯(cuò)誤信息輸出到控制終端來通知程序員。守護(hù)進(jìn)程的一種通用的辦法是使用syslog服務(wù)，將程序中的出錯(cuò)信息輸入到系統(tǒng)日志文件中，從而可以直觀地看到程序的問題所在。 syslog是Linux中的系統(tǒng)日志管理服務(wù)，通過守護(hù)進(jìn)程syslogd來維護(hù)。該守護(hù)進(jìn)程在啟動(dòng)時(shí)會(huì)讀一個(gè)配置文件“/etc/syslog.conf”。該文件決定了不同種類的消息會(huì)發(fā)送向何處。例如，緊急消息可被送向系統(tǒng)管理員并

16、在控制臺(tái)上顯示，而警告消息則可被記錄到一個(gè)文件中。 openlog()函數(shù)用于打開系統(tǒng)日志服務(wù)的一個(gè)連接；syslog()函數(shù)是用于向日志文件中寫入消息，在這里可以規(guī)定消息的優(yōu)先級(jí)、消息輸出格式等；closelog()函數(shù)是用于關(guān)閉系統(tǒng)日志服務(wù)的連接。 閱讀并運(yùn)行示例7-3-37.4 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)1 多進(jìn)程程序（1）1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^編寫多進(jìn)程程序，使讀者熟練掌握fork()、exec()、wait()和waitpid()等函數(shù)的使用，進(jìn)一步理解在Linux中多進(jìn)程編程的步驟。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 該實(shí)驗(yàn)有3個(gè)進(jìn)程，其中一個(gè)為

17、父進(jìn)程，其余兩個(gè)是該父進(jìn)程創(chuàng)建的子進(jìn)程，其中一個(gè)子進(jìn)程運(yùn)行“l(fā)s -l”指令，另一個(gè)子進(jìn)程在暫停5s之后異常退出，父進(jìn)程先用阻塞方式等待第一個(gè)子進(jìn)程的結(jié)束，然后用非阻塞方式等待另一個(gè)子進(jìn)程的退出，待收集到第二個(gè)子進(jìn)程結(jié)束的信息，父進(jìn)程就返回。 實(shí)驗(yàn)1 多進(jìn)程程序（2）實(shí)驗(yàn)2 守護(hù)進(jìn)程（1）1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^編寫一個(gè)完整的守護(hù)進(jìn)程，使讀者掌握守護(hù)進(jìn)程編寫和調(diào)試的方法，并且進(jìn)一步熟悉如何編寫多進(jìn)程程序。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在該實(shí)驗(yàn)中，讀者首先建立起一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，然后在該守護(hù)進(jìn)程中新建一個(gè)子進(jìn)程，該子進(jìn)程暫停10s，然后自動(dòng)退出，并由守護(hù)進(jìn)程收集子進(jìn)程退出的消息