第7章進程控制開發(fā)

1、本章的要求第7章、進程控制 u掌握進程相關(guān)的基本概念 u掌握Linux下的進程結(jié)構(gòu) u掌握Linux下進程創(chuàng)建及進程管理 u掌握Linux下進程創(chuàng)建相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用 u掌握守護進程的概念 u掌握守護進程的啟動方法 u掌握守護進程的輸出及建立方法 u學會編寫多進程程序 學會編寫守護進程 本章的主要內(nèi)容7.1 Linux進程概述 7.2 Linux進程控制編程 7.3 Linux守護進程7.4 實驗 7.1 Linux進程概述進程的定義 進程的概念首先是在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，人們對進程有過各種各樣的定義。現(xiàn)列舉較為著名的幾種。l進程是一個獨立的可調(diào)度的活動（E. Cohen，D. Jofferson）l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）l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

3、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，進程控制塊中的每一項都是一個task_struct結(jié)構(gòu)。 在Linux中最主要的進程標識有進程號（PID，Process Idenity Number）和它的父進程號（PPID，parent process ID）。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

4、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 進程的狀態(tài)進程是程序的執(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。 Linux下進程地址空間（1）Linux系統(tǒng)是一個多進程

5、的系統(tǒng)，它的進程之間具有并行性、互不干擾等特點。也就是說，每個進程都是一個獨立的運行單位，擁有各自的權(quán)利和責任。其中，各個進程都運行在獨立的虛擬地址空間，因此，即使一個進程發(fā)生異常，它也不會影響到系統(tǒng)中的其他進程。Linux中的進程包含3個段，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)）。 “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程內(nèi)核進程用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)中斷或系統(tǒng)調(diào)用 Linux下的進程管理 啟動進程 l手工啟動 l調(diào)度啟動 進程相關(guān)命令 7.2 Linux進程控制編程創(chuàng)建進程（1）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

7、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。創(chuàng)建進程（2）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。

8、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。示例閱讀并運行示例7-2-1exec函數(shù)族（1）exec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，

9、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）。 exec函數(shù)族（2）exec函數(shù)族對應位的含義示例閱讀并運行示例7-2-2-1閱

10、讀并運行示例7-2-2-2閱讀并運行示例7-2-2-3閱讀并運行示例7-2-2-4exit()和_exit() （1）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(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。由于在Linux的標準函數(shù)庫中，有一種被稱作“緩

11、沖I/O（buffered I/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。exit()和_exit() （2）進程運行進程終止運行調(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)，認為已經(jīng)被寫入到文件中，實際上因為沒

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)。 示例閱讀并運行示例7-2-3wait()和waitpid() （1） 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

13、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)。 wait()和waitpid() （2）示例閱讀并執(zhí)行示例7-2-4Linux守護進程 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

14、還能完成許多系統(tǒng)任務，例如，作業(yè)規(guī)劃進程crond、打印進程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，它從被執(zhí)行開始運轉(zhuǎn)，直到整個系統(tǒng)關(guān)閉時才會退出。如果想讓某個進程不因為用戶、終端或者其他的變化而受到影響，那么就必須把這個進程變成一個守護進程?？梢?，守護進程是非常重要的。 守護進程 的編寫流程會話期 進程組1進程組2登錄shell進程1進程

15、2示例閱讀并運行示例7-3-2守護進程的出錯處理 讀者在前面編寫守護進程的具體調(diào)試過程中會發(fā)現(xiàn)，由于守護進程完全脫離了控制終端，因此，不能像其他普通進程一樣將錯誤信息輸出到控制終端來通知程序員。守護進程的一種通用的辦法是使用syslog服務，將程序中的出錯信息輸入到系統(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，通過守護進程syslogd來維護。該守護進程在啟動時會讀一個配置文件“/etc/syslog.conf”。該文件決定了不同種類的消息會發(fā)送向何處。例如，緊急消息可被送向系統(tǒng)管理員并

16、在控制臺上顯示，而警告消息則可被記錄到一個文件中。 openlog()函數(shù)用于打開系統(tǒng)日志服務的一個連接；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、消息輸出格式等；closelog()函數(shù)是用于關(guān)閉系統(tǒng)日志服務的連接。 閱讀并運行示例7-3-37.4 實驗 實驗1 多進程程序（1）1實驗目的通過編寫多進程程序，使讀者熟練掌握fork()、exec()、wait()和waitpid()等函數(shù)的使用，進一步理解在Linux中多進程編程的步驟。2實驗內(nèi)容 該實驗有3個進程，其中一個為

17、父進程，其余兩個是該父進程創(chuàng)建的子進程，其中一個子進程運行“l(fā)s -l”指令，另一個子進程在暫停5s之后異常退出，父進程先用阻塞方式等待第一個子進程的結(jié)束，然后用非阻塞方式等待另一個子進程的退出，待收集到第二個子進程結(jié)束的信息，父進程就返回。 實驗1 多進程程序（2）實驗2 守護進程（1）1實驗目的通過編寫一個完整的守護進程，使讀者掌握守護進程編寫和調(diào)試的方法，并且進一步熟悉如何編寫多進程程序。2實驗內(nèi)容在該實驗中，讀者首先建立起一個守護進程，然后在該守護進程中新建一個子進程，該子進程暫停10s，然后自動退出，并由守護進程收集子進程退出的消息