Linux第四章 进程

4.1 前言

本章讨论进程概念、资源、属性。

4.2 内核和进程的关系

当系统启动时，内核代码被加载到内存，初始化之后，启动第一个用户进程，然后内核的代码就等着用户进程来调度了。

4.3 进程是程序的实例

当程序员编写好一个程序，编译之后会生成这个可执行程序，这个程序可以被运行。

运行程序其实是用户进程(Shell进程)指示内核要启动另一个用户进程，内核便为这个新的进程分配资源，并加载该进程的代码和数据。

一个程序可以被运行多次。

4.3 进程资源

4.3.1 PCB

进程运行时，内核为进程每个进程分配一个PCB（进程控制块），描述进程的信息。

PCB在内核中对应的结构体是task_struct。

4.3.2 虚拟地址空间

每个进程都会分配虚拟地址空间，在32位机器上，该地址空间为4G。

更细节的图例

在进程里平时所说的指针变量，保存的就是虚拟地址。当应用程序使用虚拟地址访问内存时，处理器（CPU）会将其转化成物理地址。

int* p = malloc(100);

*p = 100;

访问内存时，系统会做地址转换。

这样做的好处在于：

• 进程隔离，更好的保护系统安全运行

• 屏蔽物理差异带来的麻烦，方便操作系统和编译器安排进程地址

思考：如果实现一个智能的myfree函数，该函数会自动判断指针是否在堆上还是在栈上，还是在全局变量中。

4.3.3 CPU

CPU的分配是动态的，不是进程一加载就直接分配的，一般来说每个系统都会有许多进程同时在运行，而CPU只有一个（多核CPU可以认为是多个，但是数量远少于进程数量）。那么，进程就需要排队等待，就好像有100个人，在4个卖饭的窗口买饭一样。

内核将进程PCB放入一个队列，总是让CPU服务队列中的第一个进程，服务时间可以是10毫秒，可以是25毫秒，具体多长时间跟具体系统有关系，这个时间有个名字叫做时间片。一旦这个进程服务时间到，这个进程会被丢到队列尾部，进行排队。进程调度。

内核中有一个常量HZ，一般是100，250， 1000

4.4 进程属性和状态

进程有许多的属性和状态，具体可以看task_struct，这里挑一些常见的进行讲解。

4.4.1 PID

进程编号，内核为每个进程分配一个进程编号，这个是进程的身份证，系统保证了不会重复分配。
通过函数getpid或者命令ps可以查看进程的PID。

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

int main()

{

    pid_t pid = getpid();

    pid_t ppid = getppid();

    printf("%d\n", (int)pid);

    printf("%d, %d\n", (int)pid, (int)ppid);

}

4.4.2 PPID

PPID就是父进程ID，在Linux系统中，除了内核启动的第一个进程，其它进程都有父进程。
通过函数getppid或者命令ps可以查看进程的PPID。

4.4.3 账户ID/组ID

账户分实际账户和有效账户两种，如果你使用test账户登陆系统，但是使用sudo运行程序时，实际账户时test，有效账户时root。

通过函数getuid和geteuid获取真实账户id和有效账户id
通过函数getgid和getegid获得真实账户id和有效账户id
通过setuid，setgid，seteuid，setegid，setreuid，setregid等设置进程的有效和真实账户id。

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

int main()
{
    uid_t uid = getuid();
    uid_t euid = geteuid();
    printf("uid =%d, euid=%d\n", (int)uid, (int)euid);
}

 

4.4.4 进程组ID/会话组ID/控制终端

进程组：getpgrp和setpgid
会话组：getsid和setsid
控制终端：

4.4.5 环境变量

保存该进程运行的环境信息。
进程的环境变量保存在全局变量environ中，
也可以通过setenv、getenv、unsetenv进行设置和获取。

4.4.6 进程状态

#define TASK_RUNNING            0 可运行状态，相当于进程三种状态的执行和就绪状态

#define TASK_INTERRUPTIBLE      1 中断等待状态。处于这种状态唤醒的原因可能是信号或定时中断，或者I\O就绪

#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2 不可中断等待状态，主要是等待I\O

#define TASK_ZOMBIE             3 僵死状态，进程已经结束已经释放除了PCB以外的部分系统资源，等待父进程wait()读取结束状态

#define TASK_STOPPED            4 进程已经停止

注意：这是0.11的内核，在1.0的内核以上就多了一种状态，在1.0内核的sched.h中有定义

#define TASK_SWAPPING           5 交换状态，进程的页面也可以从内存转换到外存，以空出内存空间

启动进程时，该进程在RUNNING状态，RUNNING状态的进程有可能时正在被执行，或者在队列中排队。但是如果进程调用阻塞函数，而运行条件不满足时，该进程会进入挂起状态。挂起状态的进程不再分配CPU，除非等到运行条件满足时。会阻塞进程运行的函数有许多，比如getchar是典型的阻塞调用。

阻塞函数列表可以在man 7 signal中，找到关于阻塞函数的列表。

 

4.4.7 文件描述符

在进程控制块中，有一个数组保存着打开的文件描述符信息。

4.4.8 进程时间

进程有一些字段，用来记录进程的运行时间。
通过times可以获取进程从运行开始时到执行times函数时，所花费的时间。这个在系统性能优化时特别重要。
简单的程序可以从time命令获取进程的运行时间。
Linux时间相关函数可以从man 7 time获取。

 

4.4.10 当前工作目录和根目录

当前工作目录是相对地址的相对目录，通过getcwd函数可以获取当前目录，也可以通过pwd或者echo $PWD获取。也可以通过chdir来修改当前工作目录。
根目录是绝对地址的相对目录，可以通过chroot来修改根目录。调用chroot需要root权限。

目录相关资料在man 7 path_resolution。

4.5 动态库和静态库

当使用动态库时，系统会检查该动态库是否已经加载，如果已经加载，则直接映射即可，如果没有加载，那么会加载之后再映射。

如果动态库中有全局变量，那么该全局变量对于不同的进程来说，是相互独立和隔离的。

链接静态库时，静态库被一起编译进可执行程序，运行时不再依赖静态库。

动态库编译：
gcc -fpic -shared a.c b.c -o libtest.so
链接动态库
gcc main.c -ltest -L. -o mybin
运行程序时

export LD_LIBRARY_PATH=.

或者将动态库拷贝到/usr/lib

./mybin

静态库打包：
ar rcs libtest.a a.o b.o

链接库时，如果有同名的动态库和静态库，默认优先动态库，如果要链接静态库，那么使用-static，比如

gcc a.c -lmylib -static

通过以下方式可以指定某些库使用静态链接，而某些库使用动态链接

-Wl,-Bstatic -ltest -Wl,-Bdynamic -ltest2

4.6 内存管理

进程运行时，总是占用内存，无论是加载代码，还是在函数中定义局部变量，还是调用malloc申请内存。

无论是那种原因，进程需要使用内存时，它将向系统申请，并获得相对应的虚拟地址，而进程只能访问虚拟地址，真实的内存地址，进程无法访问。当进程访问虚拟地址时，系统会负责进行虚拟地址到物理地址的转换，系统发现进程尝试访问非法地址，那么进程将得到惩罚（段错误）。

这样做保护了系统的稳定性，不会因为个别新手程序员导致整个系统的崩溃。

另外还有一个好处是，使用虚拟内存之后，每个进程的导致空间是一致的，简化了进程的设计。

相关函数：malloc，brk，mmap，alloca

4.7 进程总结

从用户的角度看，一个程序跑起来就是进程。而从操作系统的角度看，进程是一个控制块＋代码＋数据的组合。

4.8 函数和命令

4.8.1 函数

getpid：获取进程ID
getppid：获取父进程ID

getuid：获取实际用户ID
getgid：获取实际组ID
geteuid：获取有效账户ID
getegid：获取有效组ID

进程组描述了一项任务
getpgrp：获取进程组号
setpgid：设置进程组号

setsid：设置Session号
getsid：获得Session号

getcwd：获取当前工作目录
chdir：设置当前工作目录
chroot：修改当前根目录

getenv:环境中取字符串,获取环境变量的值
setenv:改变或增加环境变量
unsetenv
extern char** environ（全局变量)

malloc/free：堆区申请内存
mmap/munmap：在映射区申请内存
brk：全局区申请内存
alloca：在栈上申请内存

int foo(int len)

{

//  char buf[len];

    char* buf = alloca(len);

}

4.8.2 命令

ps axu:现行终端机下的所有程序，以用户为主的格式来显示程序状况,显示所有程序，不以终端机来区分
ps ajx
grep：搜索
kill：杀死进程（给进程发送信号）