第7章進程控制程序設計

第7章進程控制程序設計7.1項目目標7.2進程控制概述7.3進程控制編程7.4守護進程7.5

農(nóng)業(yè)信息采集控制系統(tǒng)主程序設計7.1項目目標通過本章節(jié)的學習，理解進程控制的方法。設計數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的主進程，實現(xiàn)主進程基本框架。本章知識點：Linux下的進程概念Linux進程管理相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用守護進程7.2進程控制概述進程及相關(guān)概念進程控制塊和標識符進程調(diào)度進程同步互斥Linux進程的管理常用命令7.2.1進程及相關(guān)概念進程的概念首先是在60年代初期由MIT的Multics系統(tǒng)和IBM的TSS/360系統(tǒng)引入的。在40多年的發(fā)展中，人們對進程有過各種各樣的定義?，F(xiàn)列舉較為著名的幾種。進程是一個獨立的可調(diào)度的活動（E.Cohen，D.Jofferson）進程是一個抽象實體，當它執(zhí)行某個任務時，要分配和釋放各種資源（P.Denning）進程是可以并行執(zhí)行的計算單位。（S.E.Madnick，J.T.Donovan）以上進程的概念都不相同，但其本質(zhì)是一樣的。它指出了進程是一個程序的一次執(zhí)行的過程，同時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；而進程是一個動態(tài)的概念，它是程序執(zhí)行的過程，包括了動態(tài)創(chuàng)建、調(diào)度和消亡的整個過程。它是程序執(zhí)行和資源管理的最小單位。進程：進程是一個具有一定獨立功能的程序的一次運行活動。7.2.1進程及相關(guān)概念進程的要素：要有一段程序代碼供進程去執(zhí)行，我們稱之為代碼段。要擁有專用的系統(tǒng)堆?？臻g，我們稱之為堆棧段。存放的是子程序的返回地址、子程序的參數(shù)以及程序的局部變量等。要有一個由task_struct結(jié)構(gòu)定義的進程控制塊。進程控制塊包含了進程的描述信息、控制信息以及資源信息，它是進程的一個靜態(tài)描述。要有獨立的存儲空間，我們稱之為數(shù)據(jù)段?！皵?shù)據(jù)段”存放的是全局變量、常數(shù)以及動態(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（存放動態(tài)分配的數(shù)據(jù)）。7.2.1進程及相關(guān)概念進程的類型：交互進程：由一個Shell啟動的進程，其既可以在前臺運行，也可以在后臺運行。批處理進程：這種進程和終端沒有關(guān)系，是一個進程序列。守護進程：伴隨系統(tǒng)啟動而啟動的進程,在后臺運行，與終端無關(guān)。7.2.1進程及相關(guān)概念進程的狀態(tài)：執(zhí)行態(tài)：該進程正在運行，即進程正在占用CPU就緒態(tài)：進程已經(jīng)具備執(zhí)行的一切條件，正在等待分配CPU的處理時間片。等待（阻塞）態(tài)：進程不能使用CPU，若等待事件發(fā)生（等待的資源分配到）則可將其喚醒。7.2.1進程及相關(guān)概念進程的關(guān)系：Linux系統(tǒng)中所有進程都是相互聯(lián)系的，程序創(chuàng)建的進程之間具有父/子關(guān)系，創(chuàng)建的多個進程之間是兄弟關(guān)系。Linux內(nèi)核創(chuàng)建了進程ID為0及進程ID為1的進程，其中進程ID為1的進程是一個初始化進程init，Linux中所有進程都是由init進程派生而來。在Shell下執(zhí)行程序是Shell進程的子進程，進程中可以創(chuàng)建新的子進程，從而產(chǎn)生一顆進程樹。7.2.1進程及相關(guān)概念進程特點動態(tài)性動態(tài)性是進程最基本的特征并發(fā)性指多個進程實體，同時存在于內(nèi)存中，能在同一時間內(nèi)同時運行，并發(fā)是進程的重要特征，也是OS的重要特征。獨立性進程實體是一個能獨立運行的基本單位，同時也是獲得資源，獨立調(diào)度的基本單位異步性進程按各自獨立的，不可預知的速度向前執(zhí)行7.2.2進程控制塊和標識符進程是Linux系統(tǒng)的基本調(diào)度和管理資源的單位，它是通過進程控制塊來描述的。進程控制塊包含了進程的描述信息、控制信息以及資源信息，它是進程的一個靜態(tài)描述。在Linux中，進程控制塊是一個task_struct結(jié)構(gòu)(include/linux/sched.h)。在Linux中最主要的進程標識有進程號（PID，ProcessIdenityNumber）和它的父進程號（PPID，parentprocessID）。其中PID惟一地標識一個進程。PID和PPID都是非零的正整數(shù)。在Linux中獲得當前進程的PID和PPID的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)為getpid()和getppid()，通常程序獲得當前進程的PID和PPID之后，可以將其寫入日志文件以做備份。另外，進程標識還有用戶和用戶組標識、進程時間、資源利用情況等7.2.3進程調(diào)度Linux內(nèi)核用進程調(diào)度器來決定下一個時間片應該分給哪個進程。什么是時間片？Linux中每個進程只允許運行很短的時間（200ms），當這個時間用完后，系統(tǒng)將選擇另一個進程運行，原來的進程必須等待一定時間再繼續(xù)運行。這段時間就稱為時間片。調(diào)度器選擇進程時根據(jù)進程的優(yōu)先級來選擇，優(yōu)先級高的進程運行的更為頻繁。在Linux中，進程運行的時間不能超過分配給它們的時間片，它們采用的是搶先式多任務處理，所以進程的掛起和繼續(xù)執(zhí)行無需彼此間協(xié)作。7.2.4進程同步、互斥一組并發(fā)進程按一定的順序執(zhí)行的過程稱為進程間的同步。具有同步關(guān)系的一組并發(fā)進程稱為合作進程，合作進程間互相發(fā)送的信號稱為消息或事件。進程互斥是指當有若干進程都要使用某一共享資源時，任何時刻最多允許一個進程使用，其他要使用該資源的進程必須等待，直到占用該資源者釋放了該資源為止。臨界資源：操作系統(tǒng)中將一次只允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源。進程中訪問臨界資源的那段程序代碼稱為臨界區(qū)。為實現(xiàn)對臨界資源的互斥訪問，應保證諸進程互斥的進入各自的臨界區(qū)。死鎖：多個進程因競爭資源而形成一種僵局，若無外力作用，這些進程都將永遠不能再向前推進。7.2.5

Linux下的進程管理命令啟動進程手工啟動調(diào)度啟動進程調(diào)度常用命令ps查看系統(tǒng)中的進程top動態(tài)的現(xiàn)實系統(tǒng)中的進程nice按用戶的指定的優(yōu)先級運行renice改變正在運行進程的優(yōu)先級kill終止進程bg將掛起的進程放到后臺執(zhí)行7.3Linux進程控制編程獲取進程標識符進程的創(chuàng)建：fork、vfork進程的終止：exit、_exit進程的等待：wait、waitpidexec函數(shù)族守護進程7.3.1獲取進程PID獲取進程PID、PPID#include<sys/types.h>#include<unistd.h>pid_tgetpid(void)

獲取本進程ID。pid_tgetppid()

獲取父進程ID。獲取ID舉例：getpid.c#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>intmain(){ printf(“PID=%d\n”,getpid()); printf((“PPID=%d\n”,getppid()); return0;}7.3.2進程的創(chuàng)建在Linux中創(chuàng)建一個新進程的方法是使用fork()函數(shù)。fork()函數(shù)用于從已存在的進程中創(chuàng)建一個新進程。新進程稱為子進程，而原進程稱為父進程。使用fork()函數(shù)得到的子進程是父進程的一個復制品，它從父進程處繼承了整個進程的地址空間，包括進程上下文、代碼段、進程堆棧、內(nèi)存信息、打開的文件描述符、信號控制設定、進程優(yōu)先級、進程組號、當前工作目錄、根目錄、資源限制和控制終端等，而子進程所獨有的只有它的進程號、資源使用和計時器等。因為子進程幾乎是父進程的完全復制，所以父子兩個進程會運行同一個程序。因此需要用一種方式來區(qū)分它們，并使它們照此運行，否則，這兩個進程不可能做不同的事。7.3.2進程的創(chuàng)建實際上是在父進程中執(zhí)行fork()函數(shù)時，父進程會復制出一個子進程，而且父子進程的代碼從fork()函數(shù)的返回開始分別在兩個地址空間中同時運行。從而兩個進程分別獲得其所屬fork()的返回值，其中在父進程中的返回值是子進程的進程號，而在子進程中返回0。因此，可以通過返回值來判定該進程是父進程還是子進程。同時可以看出，使用fork()函數(shù)的代價是很大的，它復制了父進程中的代碼段、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。7.3.2進程的創(chuàng)建#include<sys/types.h>#include<unistd.h>pid_tfork(void)創(chuàng)建子進程：fork的奇妙之處在于它被調(diào)用一次，卻返回兩次，它可能有三種不同的返回值在父進程中，fork返回新創(chuàng)建的子進程的PID在子進程中，fork返回0如果出現(xiàn)錯誤，fork返回一個負值（-1）7.3.2進程的創(chuàng)建#include<sys/types.h>

實例：fork1.c#include<unistd.h>intmain(){ pid_tpid;

//此時僅有一個進程

pid=fork();

//此時有兩個進程同時運行

if(pid<0) printf(“errorinfork”); elseif(pid==0) printf(“Iamthechildprocess,IDis%d\n”,getpid()); else printf(“Iamtheparentprocess,IDis%d\n”,getppid());}7.3.2進程的創(chuàng)建在pid=fork()之前，只有一個進程在執(zhí)行，但在這條語句執(zhí)行之后，就變成兩個進程在執(zhí)行了，這兩個進程的共享代碼段，將要執(zhí)行的下一條語句都是if(pid<0)。兩個進程中，原來就存在的那個進程被稱作“父進程”，新出現(xiàn)的那個進程被稱作“子進程”，父子進程的區(qū)別在于進程標識符（PID）不同。7.3.2進程的創(chuàng)建思考下面程序運行結(jié)果？#include<sys/types.h>

#include<unistd.h>intmain(){ pid_tpid; intcount=0; pid=fork();

count++; printf(“count=%d\n”,count); return0;}輸出：count=1count=17.3.2進程的創(chuàng)建count++被父進程、子進程一共執(zhí)行了兩次，為什么count的第二次輸出不等于2?子進程的數(shù)據(jù)空間、堆?？臻g都會從父進程得到一個拷貝，而不是共享。在子進程中對count進行加1的操作，并沒有影響到父進程中的count值，父進程中的count值任然為0。7.3.2進程的創(chuàng)建fork有下面兩種用法：一個父進程希望復制自己，使父、子進程同時執(zhí)行不同的代碼段。這在網(wǎng)絡服務進程中比較常見，父進程等待客戶端的服務請求，當請求到達時，父進程調(diào)用fork，使子進程去處理該請求，父進程則繼續(xù)等待下一個服務請求到達。一個進程要執(zhí)行一個不同的程序。這對shell是常見的情況，這種情況下，子進程從fork返回后立即調(diào)用exec執(zhí)行。7.3.2進程的創(chuàng)建#include<sys/types.h>#include<unistd.h>pid_tvfork()功能：創(chuàng)建子進程目的：該子進程的目的是exec一個新的程序7.3.2進程的創(chuàng)建fork與vfork的區(qū)別：fork：子進程拷貝父進程的數(shù)據(jù)段、堆棧段vfork：子進程與父進程共享數(shù)據(jù)段fork：父、子進程的執(zhí)行順序不確定vfork：保證子進程先運行，在它調(diào)用了exec或exit之后，父進程運行(如果在調(diào)用這兩個函數(shù)之前子進程依賴父進程的進一步動作，則會導致死鎖)vfork舉例：#include<sys/types.h>

#include<unistd.h>intmain(){ pid_tpid; intcount=0;

pid=vfork();

count++; printf(“count=%d\n”,count); return0;}exit()和_exit()函數(shù)都是用來終止進程的。_exit()函數(shù)的作用是：直接使進程停止運行，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。由于在Linux的標準函數(shù)庫中，有一種被稱作“緩沖I/O（bufferedI/O）”操作，其特征就是對應每一個打開的文件，在內(nèi)存中都有一片緩沖區(qū)。每次讀文件時，會連續(xù)讀出若干條記錄，這樣在下次讀文件時就可以直接從內(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。7.3.3進程終止7.3.3進程終止這種技術(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)，認為已經(jīng)被寫入到文件中，實際上因為沒有滿足特定的條件，它們還只是被保存在緩沖區(qū)內(nèi)，這時用_exit()函數(shù)直接將進程關(guān)閉，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)就會丟失。因此，若想保證數(shù)據(jù)的完整性，就一定要使用exit()函數(shù)。7.3.3進程終止原型：void_exit(intstatus);status：該參數(shù)指定進程退出時的返回值，該返回值可以在shell中通過“echo$?”命令查看，也可以通過system函數(shù)的返回值取得，還可以在父進程中通過調(diào)用wait函數(shù)獲得。通常進程返回0表示正常退出（如exit(0)），返回非零表示異常退出（如exit(1)/exit(-1)）。7.3.3進程終止例程:exit.c#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>intmain(){ printf(“Usingexit\n”); printf(“Thisisthecontentinbuffer”); exit(0); //_exit(0);}//對比程序運行結(jié)果，printf(“Thisisthecontentinbuffer”);后加\n結(jié)果7.3.4進程等待wait()函數(shù)是用于使父進程（也就是調(diào)用wait()的進程）阻塞，直到一個子進程結(jié)束或者該進程接到了一個指定的信號為止。如果該父進程沒有子進程或者他的子進程已經(jīng)結(jié)束，則wait()就會立即返回。waitpid()的作用和wait()一樣，但它并不一定要等待第一個終止的子進程，它還有若干選項，如可提供一個非阻塞版本的wait()功能，也能支持作業(yè)控制。實際上wait()函數(shù)只是waitpid()函數(shù)的一個特例，在Linux內(nèi)部實現(xiàn)wait()函數(shù)時直接調(diào)用的就是waitpid()函數(shù)。

7.3.4進程等待調(diào)用wait或waitpid的進程可能會：如果其所有子進程都還在運行，則父進程阻塞如果一個子進程已終止，正等待父進程獲取其終止狀態(tài)，則取得該子進程的終止狀態(tài)立即返回如果它沒有任何子進程，則立即出錯返回7.3.4進程等待pid_twait(int*status);pid_twaitpid(pid_tpid,int*status,intoptions);status：用于保存子進程的結(jié)束狀態(tài)。pid：為欲等待的子進程ID，其數(shù)值意義如下：pid<-1：等待進程組ID為pid絕對值的任何子進程pid=-1：等待任何子進程,相當于wait()pid=0：等待進程組ID與目前進程相同的任何子進程pid>0：等待任何子進程ID為pid的子進程7.3.4進程等待options：該參數(shù)提供了一些額外的選項來控制waitpid，可有以下幾個取值或它們的按位或組合：0：不是用任何選項；WNOHANG：若pid指定的子進程沒有結(jié)束，則waitpid()函數(shù)返回0，不予以等待。若結(jié)束，則返回該子進程的ID。WUNTRACED：若子進程進入暫停狀態(tài)，則馬上返回，但子進程的結(jié)束狀態(tài)不予以理會。返回值：-1：調(diào)用失敗。其他：調(diào)用成功，返回值為退出的子進程ID。7.3.4進程等待例程wait.c#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>intmain(){ pid_tpc,pr; pc=fork(); if(pc==0){ printf(“thisischildprocesswithpidof%d\n”,getpid()); sleep(10);} elseif(pc>0){ pr=wait(NULL); printf(“Icatchedachildprocesswithpidof%d\n”,pr); } exit(0);}7.3.4進程等待例程：waitpid.cexec函數(shù)族就提供了一個在進程中啟動另一個程序執(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)用進程的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，在執(zhí)行完之后，原調(diào)用進程的內(nèi)容除了進程號外，其他全部被新的進程替換了。另外，這里的可執(zhí)行文件既可以是二進制文件，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進程認為自己不能再為系統(tǒng)和用戶做出任何貢獻時，就可以調(diào)用exec函數(shù)族中的任意一個函數(shù)讓自己重生；如果一個進程想執(zhí)行另一個程序，那么它就可以調(diào)用fork()函數(shù)新建一個進程，然后調(diào)用exec函數(shù)族中的任意一個函數(shù)，這樣看起來就像通過執(zhí)行應用程序而產(chǎn)生了一個新進程（這種情況非常普遍）。7.3.5

exec函數(shù)族7.3.5

exec函數(shù)族exec系列函數(shù)共有6種不同的形式，統(tǒng)稱為exec函數(shù)族。我們把這6個函數(shù)劃分為兩組：execl、execle和execlpexecv、execve和execvp這兩組函數(shù)的不同在于exec后的第一個字符，第一組是l，在此稱為execl系列；第二組是v，在此稱為execv系列。這里的l是list（列表）的意思，表示execl系列函數(shù)需要將每個命令行參數(shù)作為函數(shù)的參數(shù)進行傳遞。而v是vector（矢量）的意思，表示execv系列函數(shù)將所有函數(shù)包裝到一個矢量數(shù)組中傳遞即可。7.3.5

exec函數(shù)族exec函數(shù)的原型為：intexecv(constchar*path,char*

const

argv[])；intexecve(constchar*path,char*

const

argv[],char*constenvp[]);intexecvp(constchar*file,char*

const

argv[]);intexecl(constchar*path,constchar*arg,...);intexecle(constchar*path,constchar*arg,char*constenvp[]);intexeclp(constchar*file,constchar*arg,...);參數(shù)說明：path：要執(zhí)行的程序路徑?？梢允墙^對路徑或者是相對路徑。在execv、execve、execl和execle這四個函數(shù)中，使用帶路徑名的文件名作為參數(shù)。7.3.5

exec函數(shù)族file：要執(zhí)行的程序名稱。如果該參數(shù)中包含“/”字符，則視為路徑名直接執(zhí)行；否則視為單獨的文件名，系統(tǒng)將根據(jù)PATH環(huán)境變量指定的路徑順序搜索指定的文件。argv：命令行參數(shù)的矢量數(shù)組。envp：帶有該參數(shù)的exec函數(shù)，可以在調(diào)用時指定一個環(huán)境變量數(shù)組。其他不帶該參數(shù)的exec函數(shù)，則使用調(diào)用進程的環(huán)境變量。arg：程序的第0個參數(shù)，即程序名自身，相當于argv[0]。...：命令行參數(shù)列表。調(diào)用相應程序時有多少命令行參數(shù)，就需要有多少個輸入?yún)?shù)項。注意：在使用此類函數(shù)時，在所有命令行參數(shù)的最后，應該增加一個空的參數(shù)項（NULL），表明命令行參數(shù)結(jié)束。返回值：-1：表明調(diào)用exec失敗。無返回：表明調(diào)用成功7.3.5

exec函數(shù)族#include<unistd.h>intexecl(constchar*path,constchar*arg1,……)參數(shù)：path：被執(zhí)行程序名(含完整路徑)arg1-argn：被執(zhí)行程序所需的命令行參數(shù)，含程序名。以空指針NULL結(jié)束例:execl.cintmain(){ execl(“/bin/ls”,”ls”,”-al”,”/etc/passwd”,(char*)0);}7.3.5

exec函數(shù)族#include<unistd.h>intexeclp(constchar*file,constchar*arg1,……)參數(shù)：file：被執(zhí)行程序名(不含路徑，將從path環(huán)境變量中查找該程序)arg1-argn：被執(zhí)行程序所需的命令行參數(shù)，含程序名。以空指針NULL結(jié)束例:execlp.cintmain(){ execlp(“l(fā)s”,”ls”,”-al”,”/etc/passwd”,(char*)0);}7.3.5

exec函數(shù)族#include<unistd.h>intexecv(constchar*path,char*constargv[])參數(shù)：path：被執(zhí)行程序名(含完整路徑)argv[]：被執(zhí)行程序所需的命令行參數(shù)數(shù)組例:execv.cintmain(){ char*argv[]={“l(fā)s”,”-al”,”/etc/passwd”,(char*)0}; execv(“/bin/ls”,argv);}7.3.5

exec函數(shù)族#include<unistd.h>intexecve(constchar*path,char*constargv[],char*constenvp[])參數(shù)：path：被執(zhí)行程序名(含完整路徑)argv[]：被執(zhí)行程序所需的命令行參數(shù)數(shù)組envp[]：指向環(huán)境字符串指針數(shù)組例:execve.cintmain(){ char*argv[]={“l(fā)s”,”-al”,”/etc/passwd”,(char*)0}; char*envp[]={“PATH=/tmp”,”USER=wxq”,NULL}; if(fork()==0) { if(execve(“/usr/bin/env”,arg,envp)<0) printf(“Execveerror\n”); } }7.3.5

exec函數(shù)族intsystem(constchar*string)功能：調(diào)用fork產(chǎn)生子進程，由子程序來調(diào)用/bin/sh–cstring來執(zhí)行參數(shù)string所代表的命令。與exec不同的是system將外部可執(zhí)行程序加載執(zhí)行完畢后繼續(xù)返回調(diào)用進程。例:system.c#include<stdlib.h>intmain(){ system(“l(fā)s–al/etc/passwd”);}守護進程就是后臺服務進程，它是一個生存期較長的進程，通常獨立于控制終端并且周期性地執(zhí)行某種任務或等待處理某些發(fā)生的事件。守護進程常常在系統(tǒng)引導載入時啟動，在系統(tǒng)關(guān)閉時終止。Linux有很多系統(tǒng)服務，大多數(shù)服務都是通過守護進程實現(xiàn)的，守護進程還能完成許多系統(tǒng)任務，例如，偵聽網(wǎng)絡接口服務xinetd、打印進程lqd等（這里的尾字母d是Daemon的意思）。在Linux中，每一個系統(tǒng)與用戶進行交流的界面稱為終端，每一個從此終端開始運行的進程都會依附于這個終端，這個終端就稱為這些進程的控制終端，當控制終端被關(guān)閉時，相應的進程都會自動關(guān)閉。但是守護進程卻能夠突破這種限制