进程IO之 进程

一、进程相关概念

1.什么是进程

程序：静态的，编译好的可执行文件，存放在磁盘中的指令和数据的集合

进程：动态的，是程序的一次执行过程，是独立的可调度的任务

2.进程的特点

（1）对32位系统，系统会为每个进程分配0~4G的虚拟空间，其中，0~3G（用户空间）是每个进程独有的，3~4G（内核空间）是所有进程共有

进程间通信：通过内核空间
(2) CPU调度进程时会给进程分配时间片(几毫秒~十几毫秒)，当时间片用完后，cpu再进行其他进程的调度，实现进程的轮转，从而实现多任务的操作。(没有外界干预的情况下怎么调度进程是CPU随机分配的 )

（3）进程控制块task_struct(了解)
● 进程控制块pcb:包含描述进程的相关信息

● 进程标识PID：唯一的标识一个进程

主要进程标识：

进程号（PID: Process Identity Number）

父进程号：（Parent Process ID: PPID）

● 进程用户

● 进程状态、优先级

● 文件描述符（记录当前进程打开的文件）

3.进程段

Linux中的进程大致包含三个段：

数据段 ： 存放的是全局变量、常数以及动态数据分配的数据空间(如malloc函数取得的空间)等。

正文段： 存放的是程序中的代码

堆栈段 ： 存放的是函数的返回地址、函数的参数以及程序中的局部变量 （类比内存的栈区）

4.进程分类

交互进程： 该类进程是由shell控制和运行的。交互进程既可以在前台运行，也可以在后台运行。 该类进程经常与用户进行交互，需要等待用户的输入，当接收到用户的输入后，该类 进程会立刻响应，典型的交互式进程有：shell命令进程、文本编辑器等

批处理进程：该类进程不属于某个终端，它被提交到一个队列中以便顺序执行。
守护进程： 该类进程在后台运行。它一般在Linux启动时开始执行，系统关闭时才结束。
（使用top命令查看进程信息时，tty字段为?的进程）

5.进程状态

6. 进程状态切换

7.进程相关命令

补充：根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程先执行。
两种类型：

1. 非剥夺式（非抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理上运行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在进行的进程继续运行，直到由于其自身原因而主动让出处理机（任务完成或等待事件），才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。

2. 剥夺式（抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，若有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，则立即暂停正在运行的进程，将处理机分配给更重要或紧迫的进程。

二、进程函数接口

1.创建进程 fork()

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

/*
功能：创建子进程

参数：无

返回值：   成功：父进程-->返回子进程进程号
                子进程-->返回0
           失败：父进程-->返回-1，并设置errno
                子进程并未创建

*/
pid_t fork(void);

fork函数特点：
1）子进程几乎拷贝了父进程的全部内容 。包括代码、数据、系统数据段中的pc值、栈中的数据、父进程中打开的文件等；但它们的PID、PPID是不同的。

2）父子进程有独立的地址空间，互不影响；当在相应的进程中改变全局变量、静态变量，都互不影响。

3）若父进程先结束，子进程成为孤儿进程，被init进程收养，子进程变成后台进程。

4）若子进程先结束，父进程如果没有及时回收资源，子进程变成僵尸进程（要避免僵尸进程产生）

2.回收资源wait()

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/wait.h>

/*
功能：回收进程资源（是一个阻塞函数）

参数：子进程的退出状态，不接受子进程状态的话就将参数设为NULL

返回值：成功 ---> 返回子进程的进程号
        失败--->返回-1

*/

pid_t wait(int *wstatus);

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

/*
功能：回收进程资源（是一个阻塞函数）

参数： pid：>0  指定某一个子进程
            =-1 任意子进程
            =0  等待其组ID等于调用进程的组ID的任一子进程
            <-1  等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程
      status:子进程退出状态
      options：0 阻塞  WNOHANG 非阻塞

返回值： 成功：
        当options的值设置成 0时：
                  返回结束的子进程的进程号
        当options的值设置成WNOHANG时
                 若此时子进程已经结束，返回结束的子进程的进程号
                 若此时子进程已经结束，返回 0

        失败：
            返回-1

*/


pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

3.结束进程exit()

参数：status是一个整型的参数，可以利用这个参数传递进程结束时的状态。
    通常0表示正常结束；
其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束

#include <stdlib.h>
void exit(int status);
功能：结束进程，刷新缓存

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
功能：结束进程，不刷新缓存

4.获取进程号getpid()

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

pid_t getpid(void);
功能：获取当前进程的进程号
pid_t getppid(void);
功能：获取当前进程的父进程号

在父进程中获取子进程的PID ：通过fork()的返回值

三、进程间通信 （IPC）

1.通信方式介绍：

• 早期的进程间通信：无名管道（pipe） 有名管道（fifo）信号（signal）
• system V IPC: 共享内存 （share memory） 消息队列（message queue) 信号集（semaphore set）
• BSD: 套接字（socket）

2.无名管道

特点：
(1) 只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信

(2) 半双工 的通信模式，具有固定的读端fd[0]和写端fd[1]。
(3) 无名 管道可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写可以使用文件IO如read、write函数。
(4) 管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道。

函数接口：

int pipe(int fd[2])
功能：创建无名管道
参数：文件描述符 fd[0]：读端  fd[1]:写端
返回值：成功 0
       失败 -1

3.有名管道

特点：

1. 有名管道可以使互不相关的两个进程互相通信。

2. 有名管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中可见，但内容存放在内存中。但是读写数据不会存在文件中，而是在管道中，也就是内核空间中。

3. 进程通过文件IO来操作有名管道

4. 不支持如lseek() 操作

5. 有名管道遵循先进先出规则

函数接口：

/*
功能：创健有名管道
参数：filename：有名管道文件名
       mode：权限
返回值：成功：0
       失败：-1，并设置errno号

*/


int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

4.信号

kill -l ：查看系统中的信号

kill -num PID ：给某个进程发信号

4.1概念：

• 信号是软件层面上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信模式。
• 信号可以直接进行用户空间进程和内核进程之间的交互，内核进程也可以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。
• 如果该进程当前并未处于执行态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程恢复执行再传递给它；如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

4.2信号的响应方式

• 忽略信号 ：对信号不做任何处理，但是有两个信号不能忽略：即SIGKILL及SIGSTOP。
• 捕捉信号：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数
• 执行缺省操作：Linux对每种信号都规定了默认操作

4.3信号种类

4.4函数接口

（1）信号的发送kill()和挂起 pause()

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
/*
功能：信号发送
参数：pid：指定进程
   sig：要发送的信号
返回值：成功 0     
       失败 -1

*/

int kill(pid_t pid, int sig);

#include <signal.h>
/*
功能：进程向自己发送信号
参数：sig：信号
返回值：成功 0   
       失败 -1

*/

int raise(int sig);

注意： raise( sig ) <==> kill ( getpid() , sig )

#include <unistd.h>

/*

功能：用于将调用进程挂起(类似于死循环且不占用CPU资源)，直到收到被捕获处理的信号为止。

*/
int pause(void);

（2）定时器alarm()

 #include <unistd.h>

/*
功能：在进程中设置一个定时器。当定时器指定的时间到了时，它就向进程发送SIGALARM信号。
参数：seconds：定时时间，单位为秒
返回值：如果调用此alarm()前，进程中已经设置了闹钟时间，则返回上一个闹钟时间的剩余时间，否则返回0。

*/
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

注意：

1）一个进程只能有一个闹钟时间。如果在调用alarm时已设置过闹钟时间，则之前的闹钟时间被新值所代替。
2）系统默认对SIGALRM(闹钟到点后内核发送的信号)信号的响应： 如果不对SIGALRM信号进行捕捉或采取措施，默认情况下，闹钟响铃时刻会退出进程(程序非正常结束，要注意刷新问题！！ )。

3）常用操作：取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。

（3）信号处理函数signal()

 #include <signal.h>

/*
功能：信号处理函数

参数：signum：要处理的信号
      handler：信号处理方式
          忽略信号 (SIG_IGN)
          执行默认操作 (SIG_DFL)
          捕捉信号并执行自定义操作 (自定义函数名)

返回值：成功：设置之前的信号处理方式
      失败：-1


*/

 sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

补充：

sighandler_t 是一个 函数指针 的重命名 （该指针指向的函数是一个 无返回值，形参为一个整型的类型函数）
typedef void (*sighandler_t)(int);

5. 共享内存

5.1特点

1）共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。

2）为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区，可以由需要访问的进程

将其映射到自己的私有地址空间。进程就可以直接读写这一内存区而不需要进行数据的拷贝，从而大大提高的效率。

3. 由于多个进程共享一段内存，因此也需要依靠某种同步机制，如互斥锁和信号量等

5.2步骤

(1) 创建key值

(2) 创建或打开共享内存

(3) 映射共享内存到用户空间

(4) 撤销映射

(5) 删除共享内存

5.3函数接口

（1）创建key值

使用pathname提供的文件的inode号和字符的ASCII码值通过某种计算方法得到key值

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
/*
功能：创建出来的具有唯一映射关系的一个key值，帮助操作系统用来标识一块共享内存
参数：
    Pathname：已经存在的可访问文件的名字
    Proj_id：一个字符（因为只用低8位,一个字符正好是8位）

返回值：成功：key值
      失败：-1


*/


key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

(2) 创建或打开共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

/*
功能：创建或打开共享内存
参数：
    key  键值
    size   共享内存的大小
    shmflg   IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777
返回值：成功  返回共享内存号 shmid
       出错或共享内存已存在    -1

*/

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

注意：shmget() 出错或共享内存已存在都返回 -1，因此，要在容错判断中在加一次判断，使用系统定义的file exist错误号进行判断