进程管理和进程间通信机制
一、进程思维导图
一、进程基础
- 概念：程序的动态执行过程，系统资源分配/调度基本单位
- 与程序区别：程序静态（磁盘指令集）、进程动态（执行过程）
- 核心命令：ps/top（查看）、kill+PID（终止）
二、进程标识（PID）
- 本质：唯一非负整数（0~32767），类型pid_t
- 特殊PID：0（交换进程）、1（init进程）、2（页守护进程）
- 获取函数：getpid()（当前进程）、getppid()（父进程）
三、进程控制块（PCB）
- 定义：内核task_struct结构体，系统感知进程的唯一标志
- 存储位置：内核空间
- 核心内容：进程描述信息、控制信息、资源信息
四、进程内存映像
- 地址空间：1G内核空间（共享）+3G用户空间（私有）
- 组成部分：代码段（只读共享）、数据段、BSS段、堆、栈
- 额外存储：命令行参数、环境变量
五、进程状态与转换
- 核心状态：就绪、运行、阻塞、停止
- 转换规则：运行→就绪（时间片完）、运行→阻塞（等事件）、阻塞→就绪（事件发生）
六、进程分类
- 交互进程：Shell启动，支持前后台运行
- 批处理进程：执行脚本，与终端无关
- 监控进程（守护进程）：系统启动运行，后台常驻
七、进程创建
- 核心函数：fork（复制父进程，父子PID不同）、vfork（共享数据，子进程优先执行）、system（执行Shell命令，阻塞）
- fork特点：父进程返回子PID，子进程返回0，失败返回-1
八、特殊进程
- 孤儿进程：父进程先结束，被init进程（PID=1）收养
- 僵尸进程：子进程先结束，父进程未调用wait，PCB残留
九、进程等待与退出
- 等待函数：wait（阻塞等任意子进程）、waitpid（指定子进程，支持非阻塞）
- 退出方式：正常（main返回、exit、_exit）、异常（abort）
二、管道思维导图
一、管道基础
- 本质：内核中固定大小缓冲区（2.6内核64KB），流式服务
- 分类：无名管道、有名管道（FIFO）
- 生命周期：随进程（进程退出管道释放）
二、无名管道
- 核心特点：半双工（单向通信）、仅支持亲缘进程、无文件名、内存中存在
- 创建函数：pipe(int fd[2])，fd[0]（读端）、fd[1]（写端）
- 读写规则：
- 管道空+写端未关：read阻塞
- 管道满+读端未关：write阻塞
- 数据读出后移除，不可重复读取
三、有名管道（FIFO）
- 核心特点：文件系统可见（文件名标识）、不占磁盘空间、支持任意进程通信
- 创建方式：mkfifo命令、mkfifo函数（需指定权限）
- 操作流程：open（打开，支持阻塞/非阻塞O_NONBLOCK）→ read/write（读写）→ close（关闭）
- 关键规则：先进先出，不支持lseek操作
三、信号思维导图
一、信号基础
- 本质：异步事件通知机制，硬件中断的软件模拟
- 分类：不可靠信号（131，不排队）、可靠信号（3264，排队）
- 核心头文件：<signal.h>，共64种信号
二、常见信号
- 终止类：SIGINT（Ctrl+C）、SIGKILL（9号，强制终止，不可捕捉）、SIGTERM（默认kill信号）
- 控制类：SIGSTOP（暂停，不可捕捉）、SIGCONT（继续）
- 通知类：SIGCHLD（子进程结束通知父进程）、SIGALRM（定时通知）
三、信号函数
- 发送函数：kill（向指定进程/进程组发信号）、raise（向自身发信号）、sigqueue（实时信号，带参数）
- 定时函数：alarm（秒级定时，发SIGALRM）、ualarm（微秒级定时）
- 终止函数：abort（发SIGABRT，异常终止）
四、信号处理
- 处理方式：忽略（SIG_IGN，除SIGKILL/SIGSTOP）、默认动作、自定义处理
- 处理函数：signal（非实时信号）、sigaction（实时信号，支持带参数）
五、信号集操作
- 核心函数：sigemptyset（初始化空集）、sigfillset（添加所有信号）、sigaddset/sigdelset（增删信号）
- 作用：屏蔽指定信号，避免执行处理函数时被打断
四、信号量思维导图
一、信号量基础
- 本质：整数计数器，用于共享资源的互斥与同步
- 核心特性：访问为原子操作，不可分割
- 分类：内核信号量、用户态信号量（POSIX/SYSTEM V）
二、核心操作（PV操作）
- P操作：S减1，S<0则进程阻塞
- V操作：S加1，S≤0则唤醒阻塞进程
- 互斥信号量：初值为1，实现资源独占访问
三、核心函数
- 创建/获取：semget（key由ftok生成，nsems为信号量个数）
- 执行操作：semop（通过sembuf结构体指定PV操作）
- 控制管理：semctl（SETVAL初始化、IPC_RMID删除）
四、查看与删除
- 查看命令：ipcs -s
- 删除命令：ipcrm -s semid（按信号量ID删除）
五、使用步骤
- 创建/获取信号量集
- 初始化信号量（SETVAL）
- 执行PV操作（semop）
- 删除信号量集（IPC_RMID）
五、消息队列思维导图
一、消息队列基础
- 本质：内核中的消息链表，由msgid唯一标识
- 核心特点：支持随机查询（按消息类型）、多进程读写、读出后删除
- 生命周期：内核重启或显式删除才消失
二、数据结构
- 消息结构体：msgbuf（mtype：消息类型>0；mtext：消息内容）
- 内核维护结构：msqid_ds（存储队列状态、权限、消息计数等）
三、核心限制
- 单条消息最大长度：MSGMAX
- 队列总字节数：MSGMNB
- 消息条目数：MSGMNI
四、核心函数
- 创建/获取：msgget（key标识，支持IPC_CREAT创建）
- 发送消息：msgsnd（添加消息到队列尾部，支持阻塞/非阻塞）
- 读取消息：msgrcv（按类型读取，支持截断、非阻塞）
- 控制删除：msgctl（IPC_RMID删除队列）
五、查看与删除
- 查看命令：ipcs -q
- 删除命令：ipcrm -q msgid
六、共享内存思维导图
一、共享内存基础
- 本质：允许多个进程访问同一逻辑内存，内核级资源
- 核心特点：通信效率最高（无数据拷贝），需手动实现同步
- 系统限制：Linux最大支持128个共享内存
二、查看与删除
- 查看命令：ipcs -m
- 删除命令：ipcrm -m shmid（按共享内存ID删除）
三、核心函数
- 创建/获取：shmget（key由ftok生成，size按页对齐（4KB/页））
- 映射地址：shmat（将共享内存映射到进程地址空间，返回指针）
- 断开映射：shmdt（解除进程与共享内存的关联）
- 控制管理：shmctl（IPC_RMID删除共享内存）
四、使用流程
- 调用shmget创建/获取共享内存
- 调用shmat映射到进程地址空间
- 进程间通过内存指针直接读写数据
- 调用shmdt断开映射
- 调用shmctl释放共享内存资源