進(jìn)程控制開發(fā)之：Linux進(jìn)程概述

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7.1??Linux進(jìn)程概述

7.1.1??進(jìn)程的基本概念

1．進(jìn)程的定義

進(jìn)程的概念首先是在20世紀(jì)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(jìn)程有過各種各樣的定義?，F(xiàn)列舉較為著名的幾種。

（1）進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立的可調(diào)度的活動(dòng)（E.?Cohen，D.?Jofferson）。

（2）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）。

（3）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。因此，對系統(tǒng)而言，當(dāng)用戶在系統(tǒng)中鍵入命令執(zhí)行一個(gè)程序的時(shí)候，它將啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程。

2．進(jìn)程控制塊

進(jìn)程是Linux系統(tǒng)的基本調(diào)度和管理資源的單位，那么從系統(tǒng)的角度看如何描述并表示它的變化呢？在這里，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)，它是在include/linux/sched.h中定義的。

3．進(jìn)程的標(biāo)識

在Linux中最主要的進(jìn)程標(biāo)識有進(jìn)程號（PID，Process?Idenity?Number）和它的父進(jìn)程號（PPID，parent?process?ID）。其中PID惟一地標(biāo)識一個(gè)進(jìn)程。PID和PPID都是非零的正整數(shù)。

在Linux中獲得當(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。getpid()和getppid()系統(tǒng)調(diào)用過程如下所示：

/*?pid.c?*/

#include<stdio.h>

#include<unistd.h>

#include?<stdlib.h>

int?main()

{

?????/*獲得當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程ID和其父進(jìn)程ID*/

?????printf("The?PID?of?this?process?is?%dn",?getpid());

?????????printf("The?PPID?of?this?process?is?%dn",?getppid());

}

使用arm-linux-gcc進(jìn)行交叉編譯，再將其下載到目標(biāo)板上運(yùn)行該程序，可以得到如下結(jié)果，該值在不同的系統(tǒng)上會有所不同：

$?./pid?

The?PID?of?this?process?is?78

THe?PPID?of?this?process?is?36

另外，進(jìn)程標(biāo)識還有用戶和用戶組標(biāo)識、進(jìn)程時(shí)間、資源利用情況等，這里就不做一一介紹，感興趣的讀者可以參見W.Richard?Stevens編著的《Advanced?Programming?in?the?UNIX?Environmen》。

4．進(jìn)程運(yùn)行的狀態(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)。

n 執(zhí)行態(tài)：該進(jìn)程正在運(yùn)行，即進(jìn)程正在占用CPU。

n 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。

n 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。

它們之間轉(zhuǎn)換的關(guān)系如圖7.1所示。

圖7.1??進(jìn)程3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)化關(guān)系

7.1.2??Linux下的進(jìn)程結(jié)構(gòu)

Linux系統(tǒng)是一個(gè)多進(jìn)程的系統(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”。

n “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)）。

n “代碼段”存放的是程序代碼的數(shù)據(jù)。

n “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。如圖7.2所示。、

圖7.2??Linux中進(jìn)程結(jié)構(gòu)示意圖

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7.1.3??Linux下進(jìn)程的模式和類型

在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程的執(zhí)行模式劃分為用戶模式和內(nèi)核模式。如果當(dāng)前運(yùn)行的是用戶程序、應(yīng)用程序或者內(nèi)核之外的系統(tǒng)程序，那么對應(yīng)進(jìn)程就在用戶模式下運(yùn)行；如果在用戶程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用或者發(fā)生中斷事件，那么就要運(yùn)行操作系統(tǒng)（即核心）程序，進(jìn)程模式就變成內(nèi)核模式。在內(nèi)核模式下運(yùn)行的進(jìn)程可以執(zhí)行機(jī)器的特權(quán)指令，而且此時(shí)該進(jìn)程的運(yùn)行不受用戶的干擾，即使是root用戶也不能干擾內(nèi)核模式下進(jìn)程的運(yùn)行。

用戶進(jìn)程既可以在用戶模式下運(yùn)行，也可以在內(nèi)核模式下運(yùn)行，如圖7.3所示。

圖7.3用戶進(jìn)程的兩種運(yùn)行模式

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7.1.4??Linux下的進(jìn)程管理

Linux下的進(jìn)程管理包括啟動(dòng)進(jìn)程和調(diào)度進(jìn)程，下面就分別對這兩方面進(jìn)行簡要講解。

1．啟動(dòng)進(jìn)程

Linux下啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程有兩種主要途徑：手工啟動(dòng)和調(diào)度啟動(dòng)。手工啟動(dòng)是由用戶輸入命令直接啟動(dòng)進(jìn)程，而調(diào)度啟動(dòng)是指系統(tǒng)根據(jù)用戶的設(shè)置自行啟動(dòng)進(jìn)程。

（1）手工啟動(dòng)。

手工啟動(dòng)進(jìn)程又可分為前臺啟動(dòng)和后臺啟動(dòng)。

n 前臺啟動(dòng)是手工啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程的最常用方式。一般地，當(dāng)用戶鍵入一個(gè)命令如“l(fā)s?-l”時(shí)，就已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)進(jìn)程，并且是一個(gè)前臺的進(jìn)程。

n 后臺啟動(dòng)往往是在該進(jìn)程非常耗時(shí)，且用戶也不急著需要結(jié)果的時(shí)候啟動(dòng)的。比如用戶要啟動(dòng)一個(gè)需要長時(shí)間運(yùn)行的格式化文本文件的進(jìn)程。為了不使整個(gè)shell在格式化過程中都處于“癱瘓”狀態(tài)，從后臺啟動(dòng)這個(gè)進(jìn)程是明智的選擇。

（2）調(diào)度啟動(dòng)。

有時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行一些比較費(fèi)時(shí)而且占用資源的維護(hù)工作，并且這些工作適合在深夜無人值守的時(shí)候進(jìn)行，這時(shí)用戶就可以事先進(jìn)行調(diào)度安排，指定任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間或者場合，到時(shí)候系統(tǒng)就會自動(dòng)完成這一切工作。

使用調(diào)度啟動(dòng)進(jìn)程有幾個(gè)常用的命令，如at命令在指定時(shí)刻執(zhí)行相關(guān)進(jìn)程，cron命令可以自動(dòng)周期性地執(zhí)行相關(guān)進(jìn)程，在需要使用時(shí)讀者可以查看相關(guān)幫助手冊。

2．調(diào)度進(jìn)程

調(diào)度進(jìn)程包括對進(jìn)程的中斷操作、改變優(yōu)先級、查看進(jìn)程狀態(tài)等，在Linux下可以使用相關(guān)的系統(tǒng)命令實(shí)現(xiàn)其操作，在表7.1中列出了Linux中常見的調(diào)用進(jìn)程的系統(tǒng)命令，讀者在需要的時(shí)候可以自行查找其用法。

表7.1 Linux中進(jìn)程調(diào)度常見命令