《LINUX進程編程》課件

Linux進程編程本課程旨在幫助您深入了解Linux進程編程，并學(xué)習(xí)如何使用系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建、管理和控制進程。我們將探索進程的生命周期、進程間通信、信號、線程等關(guān)鍵概念。本課程大綱11.進程基礎(chǔ)了解進程的概念、狀態(tài)和基本操作，如創(chuàng)建、終止、切換等。22.進程通信學(xué)習(xí)進程間通信（IPC）機制，包括管道、消息隊列、共享內(nèi)存等。33.線程編程掌握線程的概念、創(chuàng)建、同步和互斥等技術(shù)，提升程序性能。44.進程管理深入理解進程管理機制，包括守護進程、僵尸進程、孤兒進程等。什么是進程進程是計算機操作系統(tǒng)中分配資源的基本單位。它是正在運行的程序的實例，包含程序代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和系統(tǒng)資源等信息。每個進程都擁有獨立的地址空間，保證了進程之間相互隔離，不會互相影響。進程是一個動態(tài)實體，擁有自己的生命周期，可以創(chuàng)建、終止、暫停和恢復(fù)。進程的狀態(tài)運行狀態(tài)進程正在執(zhí)行指令，占用CPU資源。進程處于活動狀態(tài)，可以立即執(zhí)行。就緒狀態(tài)進程已經(jīng)準備好執(zhí)行，但需要等待CPU資源。一旦CPU空閑，進程將立即進入運行狀態(tài)。阻塞狀態(tài)進程正在等待某個事件，如I/O操作完成或信號到來。進程處于非活動狀態(tài)，無法執(zhí)行。終止狀態(tài)進程已經(jīng)完成執(zhí)行，不再占用系統(tǒng)資源。進程處于結(jié)束狀態(tài)，無法再被執(zhí)行。進程的創(chuàng)建調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用使用`fork()`函數(shù)創(chuàng)建子進程，調(diào)用`exec()`函數(shù)加載新的程序。分配資源子進程繼承父進程的一部分資源，包括文件描述符、信號處理程序和環(huán)境變量。創(chuàng)建進程控制塊為新創(chuàng)建的子進程創(chuàng)建一個進程控制塊(PCB)，存儲進程相關(guān)信息，例如進程ID、狀態(tài)和內(nèi)存地址。啟動執(zhí)行子進程開始執(zhí)行其程序，進程創(chuàng)建完成。進程的終止Linux進程終止是指停止一個進程的運行。進程終止后，其所有資源都會被釋放。1正常終止進程執(zhí)行完畢或收到結(jié)束信號2異常終止收到致命信號或發(fā)生錯誤3強制終止管理員或其他用戶強制終止進程進程可以通過多種方式終止，包括正常終止、異常終止和強制終止。正常終止指進程執(zhí)行完畢或收到結(jié)束信號后自行終止。異常終止指進程收到致命信號或發(fā)生錯誤后終止。強制終止指管理員或其他用戶強制終止進程。進程的切換1調(diào)度器選擇下一個運行的進程，通過時間片輪轉(zhuǎn)，優(yōu)先級調(diào)度等算法。2上下文切換保存當前進程狀態(tài)，加載下一個進程狀態(tài)，切換CPU運行狀態(tài)。3切換過程內(nèi)核會記錄進程狀態(tài)，包括內(nèi)存映射，寄存器狀態(tài)，CPU信息等。這些信息在切換時保存和加載。進程的控制暫停進程使用SIGSTOP信號暫停進程，使用SIGCONT信號恢復(fù)進程。設(shè)置優(yōu)先級通過nice命令或sched_setscheduler函數(shù)修改進程優(yōu)先級，影響進程調(diào)度。發(fā)送信號通過kill命令或kill函數(shù)發(fā)送信號通知進程，實現(xiàn)進程控制。進程的通信概念進程通信是多個進程之間交換數(shù)據(jù)的方式。每個進程擁有獨立的內(nèi)存空間，無法直接訪問其他進程的數(shù)據(jù)。必要性在多進程環(huán)境中，進程之間需要進行信息傳遞和資源共享，以協(xié)同工作完成任務(wù)。重要性進程通信機制是多進程編程的關(guān)鍵，決定了進程間協(xié)作的效率和復(fù)雜度。進程間通信IPC進程間通信進程間通信（IPC）是不同進程間交換數(shù)據(jù)的機制。進程是操作系統(tǒng)資源分配和調(diào)度的基本單位，而IPC允許不同進程共享數(shù)據(jù)和資源，從而實現(xiàn)協(xié)作和信息傳遞。IPC的作用IPC在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中至關(guān)重要。它使不同進程之間能夠相互通信，實現(xiàn)資源共享，協(xié)同工作。IPC在網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體應(yīng)用、并發(fā)編程等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。共享內(nèi)存共享內(nèi)存段進程間共享的內(nèi)存空間，不需要內(nèi)核復(fù)制數(shù)據(jù)效率最快的IPC方式，數(shù)據(jù)共享無需內(nèi)核介入同步機制需要同步機制確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性鍵值對系統(tǒng)通過鍵值對來管理共享內(nèi)存段消息隊列1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)消息隊列是一種先進先出（FIFO）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它允許進程間通過發(fā)送和接收消息來進行通信。2異步通信發(fā)送消息的進程不需要等待接收進程接收消息，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。3消息隊列類型消息隊列可以分為系統(tǒng)消息隊列和用戶自定義消息隊列兩種類型。4常見應(yīng)用場景消息隊列在異步任務(wù)處理，系統(tǒng)間通信，以及多線程編程中都扮演著重要角色。管道單向數(shù)據(jù)流管道是一種簡單的進程間通信方式，數(shù)據(jù)只能從一個方向流動，父進程可以向子進程寫入數(shù)據(jù)，子進程可以從父進程讀取數(shù)據(jù)。無名管道無名管道是通過管道文件來實現(xiàn)的，只能在有親緣關(guān)系的進程間使用，比如父子進程或者兄弟進程之間。有名管道有名管道是通過文件系統(tǒng)來實現(xiàn)的，它可以用于任何進程間通信，即使是沒有任何親緣關(guān)系的進程之間。應(yīng)用場景管道可以用來實現(xiàn)進程間的數(shù)據(jù)傳遞，例如父進程將數(shù)據(jù)傳遞給子進程，子進程將數(shù)據(jù)傳遞給父進程。信號信號概述信號是進程間通信方式之一。它是一種異步事件，能夠中斷程序執(zhí)行，并改變進程的行為。信號機制允許一個進程向另一個進程發(fā)送信號，以便通知或影響目標進程的運行狀態(tài)。信號類型終止信號停止信號繼續(xù)信號其它信號文件鎖同步訪問文件鎖機制確保多個進程對同一文件的訪問不會互相干擾，防止數(shù)據(jù)一致性問題。鎖類型文件鎖分為獨占鎖和共享鎖，獨占鎖允許單個進程對文件進行修改，而共享鎖允許多個進程同時讀取文件。實現(xiàn)方式文件鎖通常通過系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)，例如fcntl()函數(shù)和flock()函數(shù)，它們允許程序申請和釋放文件鎖。線程簡介線程是進程中執(zhí)行的基本單元。一個進程可以包含多個線程，每個線程可以獨立地執(zhí)行。線程共享進程的內(nèi)存空間，但擁有獨立的棧和寄存器。線程的創(chuàng)建1創(chuàng)建線程使用pthread_create函數(shù)2分配資源線程創(chuàng)建后，系統(tǒng)會為其分配獨立的?？臻g和寄存器3執(zhí)行函數(shù)線程啟動后，執(zhí)行用戶指定的線程函數(shù)創(chuàng)建線程是使用pthread_create函數(shù)實現(xiàn)的。該函數(shù)需要傳入線程屬性、線程函數(shù)指針、線程函數(shù)參數(shù)以及線程ID指針。在成功創(chuàng)建線程后，線程會開始執(zhí)行用戶指定的線程函數(shù)，并在自己的?？臻g上運行。線程的終止1線程函數(shù)返回線程函數(shù)執(zhí)行完畢后，自動退出。2pthread_exit線程主動調(diào)用，退出線程。3線程取消其他線程發(fā)起取消請求，終止目標線程。4進程終止當進程被終止時，所有線程也被終止。線程的終止方式主要包括四種：線程函數(shù)返回，pthread_exit，線程取消，進程終止。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的場景選擇合適的終止方式，確保程序的正確性和穩(wěn)定性。線程的同步同步機制多個線程共享資源時，需要同步機制以確保數(shù)據(jù)一致性和程序正確性。例如，多個線程同時訪問共享變量，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)被意外修改。同步目的協(xié)調(diào)線程之間的執(zhí)行順序，避免資源競爭和數(shù)據(jù)沖突。保證共享資源在任何時刻只有一個線程訪問，以確保數(shù)據(jù)的一致性和程序的正確性。互斥鎖互斥鎖保護共享資源，防止多個線程同時訪問。加鎖線程想要訪問共享資源時，必須先獲取鎖，否則無法訪問。解鎖線程訪問完共享資源后，必須釋放鎖，允許其他線程訪問。條件變量11.等待與通知條件變量允許多個線程等待共享資源狀態(tài)，并在狀態(tài)發(fā)生變化時通知等待線程。22.互斥鎖配合條件變量通常與互斥鎖配合使用，以確保對共享資源的訪問安全。33.避免競爭條件條件變量可以有效地協(xié)調(diào)線程之間的交互，防止因競爭條件導(dǎo)致的錯誤。讀寫鎖讀寫鎖讀寫鎖允許多個讀者同時訪問共享資源，但一次只允許一個寫入者訪問。讀者優(yōu)先讀寫鎖通常優(yōu)先考慮讀者，以提高并發(fā)性。寫者阻塞寫入者必須等待所有讀者完成讀取后才能獲得鎖。應(yīng)用場景讀寫鎖適用于讀操作比寫操作更頻繁的場景，例如數(shù)據(jù)庫讀取和寫入操作。自旋鎖忙等待自旋鎖是一種忙等待鎖，線程不斷循環(huán)檢查鎖狀態(tài)，直到獲得鎖為止。低開銷自旋鎖適用于鎖持有時間短、競爭不激烈的場景，可以避免線程上下文切換的開銷。臨界區(qū)保護自旋鎖用于保護臨界區(qū)資源，確保同一時間只有一個線程可以訪問臨界區(qū)。定時器計時器定時器是系統(tǒng)中用于設(shè)定特定時間段執(zhí)行操作的機制，通常用于執(zhí)行周期性任務(wù)或延時操作。時間管理通過定時器，可以精確控制程序執(zhí)行時間，提高系統(tǒng)效率和資源利用率。事件觸發(fā)定時器還可以用于響應(yīng)特定的事件，例如，當系統(tǒng)空閑時執(zhí)行后臺任務(wù)。守護進程后臺運行守護進程在后臺運行，不與用戶交互。系統(tǒng)服務(wù)守護進程通常用于提供系統(tǒng)服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、打印服務(wù)等。獨立運行守護進程獨立于終端運行，即使用戶退出登錄，守護進程依然運行。僵尸進程定義僵尸進程是指已經(jīng)終止但其父進程沒有回收其資源的進程。原因父進程在子進程終止后，沒有調(diào)用wait()或waitpid()函數(shù)來獲取子進程的退出狀態(tài)。影響僵尸進程會占用系統(tǒng)資源，例如進程描述符，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。解決方法父進程應(yīng)及時調(diào)用wait()或waitpid()函數(shù)回收子進程的資源。孤兒進程定義孤兒進程是指父進程終止，但子進程仍在運行的進程。孤兒進程的父進程ID將被設(shè)置為1，即init進程。特點孤兒進程由init進程收養(yǎng)。init進程會負責(zé)回收孤兒進程的資源。孤兒進程不會對系統(tǒng)造成直接的威脅。資源限制1用戶資源限制限制用戶進程能夠使用的資源，如內(nèi)存、CPU時間、文件描述符數(shù)量等。2系統(tǒng)資源限制限制整個系統(tǒng)所能使用的資源，如最大進程數(shù)、最大文件數(shù)等。3進程資源限制限制單個進程所能使用的資源，如內(nèi)存、CPU時間、文件描述符數(shù)量等。進程間繼承進程資源繼承子進程從父進程繼承大部分資源，例如打開的文件、信號處理程序和環(huán)境變量等。但也有例外，例如進程ID會重新分配，以確保唯一性。進程狀態(tài)繼承子進程繼承父進程的信號屏蔽字和信號處理函數(shù)，這些信息決定了子進程對信號的響應(yīng)方式，影響子進程的執(zhí)行過程。進程間控制信號信號是進程間通信的一種方式，允許一個進程向另一個進程發(fā)送信號，以通知它發(fā)生了一些事件。系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是進程與操作系統(tǒng)之間的接口，通過系統(tǒng)調(diào)用，進程可以控制其他進程，例如終止、掛