进程概述

*进程的定义

》 程序：
程序是存放在存储介质上的一个可执行文件。
》 进程：
进程是程序的执行实例，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。
》 程序是静态的，进程是动态的：
程序是一些指令的有序集合，而进程是程序执行的过程。进程的状态是变化的，其包括进程的创建、调度和消亡。
》 Linux系统包含多个进程

进程概述

》 在Linux系统中，进程是管理事务的基本单元。进程拥有自己独立的处理环境和系统资源（处理器、存储器、I/O设备、数据、程序）。
》 可使用exec函数由内核将程序读入内存，使其执行起来成为一个进程。

进程的状态及转换

*进程按运行模式分为哪几种及其转换途径。

》运行模式分为用户态和内核态。
》用户进程通过中断进入系统模式；中断处理结束后恢复用户态。

*进程整个生命周期可以简单划分为三种状态：

》就绪态：
进程已经具备执行的一切条件，正在等待分配CPU的处理时间。
》执行态：
该进程正在占用CPU运行。
》等待态：
进程因不具备某些执行条件而暂时无法继续执行的状态。
进程三种状态的转换关系

进程控制块

》 OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。系统在创建一个进程的时候会开辟一段内存空间存放与此进程相关的PCB数据结构。
》 PCB是操作系统中最重要的记录型数据结构。PCB中记录了用于描述进程进展情况及控制进程运行所需的全部信息。
》 PCB是进程存在的唯一标志，在Linux中PCB存放在task_struct结构体中。

struct task_struct {
long state; /*任务的运行状态（-1 不可运行，0 可运行(就绪)，>0 已停止）*/
long counter;/*运行时间片计数器(递减)*/
long priority;/*优先级*/
long signal;/*信号*/
struct sigaction sigaction[32];/*信号执行属性结构，对应信号将要执行的操作和标志信息*/
long blocked; /* bitmap of masked signals */
/* various fields */
int exit_code;/*任务执行停止的退出码*/
unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack;/*代码段地址 代码长度（字节数）
代码长度 + 数据长度（字节数）总长度 堆栈段地址*/
long pid,father,pgrp,session,leader;/*进程标识号(进程号) 父进程号 父进程组号 会话号 会话首领*/
unsigned short uid,euid,suid;/*用户标识号（用户id） 有效用户id 保存的用户id*/
unsigned short gid,egid,sgid; /*组标识号（组id） 有效组id 保存的组id*/
long alarm;/*报警定时值*/

》 调度数据
进程的状态、标志、优先级、调度策略等。
》 时间数据
创建该进程的时间、在用户态的运行时间、在内核态的运行时间等。
》 文件系统数据
umask掩码、文件描述符表等。
》 内存数据、进程上下文、进程标识（进程号）
》 ...

进程控制

进程号

》 每个进程都由一个进程号来标识，其类型为pid_t，进程号的范围：0～32767。
》 进程号总是唯一的，但进程号可以重用。当一个进程终止后，其进程号就可以再次使用了。
》 在Linux系统中进程号由0开始。进程号为0及1的进程由内核创建。进程号为0的进程通常是调度进程，常被称为交换进程(swapper)。进程号为1的进程通常是init进程。除调度进程外，在Linux下面所有的进程都由进程init进程直接或者间接创建。

》 进程号(PID)
标识进程的一个非负整型数。
》 父进程号(PPID)
任何进程(除init进程)都是由另一个进程创建，该进程称为被创建进程的父进程，对应的进程号称为父进程号(PPID)。
》 进程组号(PGID)
进程组是一个或多个进程的集合。他们之间相互关联，进程组可以接收同一终端的各种信号，关联的进程有一个进程组号(PGID) 。

Linux操作系统提供了三个获得进程号的函数getpid()、getppid()、getpgid()。
需要包含头文件：
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
》 pid_t getpid(void)
功能：获取本进程号(PID)
》 pid_t getppid(void)
功能：获取调用此函数的进程的父进程号(PPID)
》 pid_t getpgid(pid_t pid)
功能：获取进程组号(PGID)，参数为0时返回当前PGID，否则返回参数指定的进程的PGID

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	pid_t pid, ppid, pgid;

	pid = getpid();
	printf("pid = %d\n", pid);

	ppid = getppid();
	printf("ppid = %d\n", ppid);

	pgid = getpgid(pid);
	printf("pgid = %d\n", pgid);
	return 0;
}

在Linux环境下，创建进程的主要方法是调用以下两个函数:
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
pid_t vfork(void);

fork函数：创建一个新进程

pid_t fork(void)
功能:
fork()函数用于从一个已存在的进程中创建一个新进程，新进程称为子进程，原进程称为父进程。
返回值:
	成功：子进程中返回0，父进程中返回子进程ID。
	失败：返回-1。

》 使用fork函数得到的子进程是父进程的一个复制品，它从父进程处继承了整个进程的地址空间。
》 地址空间:
包括进程上下文、进程堆栈、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号等。
》 子进程所独有的只有它的进程号，计时器等。因此，使用fork函数的代价是很大的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	pid_t pid;
	
	pid=fork();
	if(pid<0)
		perror("fork");
	if(pid==0)
	{
		while(1)
		{
			printf("this is son process\n");
			sleep(1);
		}
	}
	else 
	{
		while(1)
		{
			printf("this is father process\n");
			sleep(1);
		}
	}
	return 0;
}

fork函数执行结果：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int var=10;

int main(int argc, char *argv[])
{
	pid_t pid;
	int num=9;
	
	pid=fork();
	if(pid<0)
	{
		perror("fork");
	}
	if(pid==0)
	{
		var++;
		num++;
		printf("in son process var=%d,num=%d\n", var, num);
	}
	else
	{
		sleep(1);
		printf("in father process var=%d,num=%d\n", var, num);
	}
	printf("common code area\n");
	return 0;
}

》 从上面程序可以看出，子进程对变量所做的改变并不影响父进程中该变量的值，说明父子进程各自拥有自己的地址空间。
》 一般来说，在fork之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的。这取决于内核所使用的调度算法。
》 如要求父子进程之间相互同步，则要求某种形式的进程间通信。

标准I/O提供三种类型的缓冲：

》全缓冲:(大小不定)
在填满标准I/O缓冲区后，才进行实际的I/O操作。术语 冲洗缓冲区的意思是进行标准I/O写操作。
》行缓冲：(大小不定)
在遇到换行符时，标准I/O库执行I/O操作。这种情况允许我们一次输入一个字符，但只有写了一行后才进行实际的I/O操作。
》不带缓冲

• 调用fork函数后，父进程打开的文件描述符都被复制到子进程中。在重定向父进程的标准输出时，子进程的标准输出也被重定向。
• write函数是系统调用，不带缓冲。
• 标准I/O库是带缓冲的，当以交互方式运行程序时，标准I/O库是是行缓冲的，否则它是全缓冲的。

进程的挂起（进程在一定的时间内没有任何动作）

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int sec);
功能：
	进程挂起指定的秒数，直到指定的时间用完或收到信号才解除挂起。
返回值：
	若进程挂起到sec指定的时间则返回0，
	若有信号中断则返回剩余秒数。
注意：
	进程挂起指定的秒数后程序并不会立即执行，系统只是将此进程切换到就绪态。

》 父子进程有时需要简单的进程间同步，如父进程等待子进程的结束。
》 Linux下提供了以下两个等待函数wait()、waitpid()。
》 需要包含头文件 ：
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
*pid_t wait(int status);
功能：
等待子进程终止，如果子进程终止了，此函数会回收子进程的资源。调用wait函数的进程会挂起，直到它的一个子进程退出或收到一个不能被忽视的信号时才被唤醒。若调用进程没有子进程或它的子进程已经结束，该函数立即返回。
参数：
函数返回时，参数status中包含子进程退出时的状态信息。子进程的退出信息在一个int中包含了多个字段，用宏定义可以取出其中的每个字段。
返回值：
如果执行成功则返回子进程的进程号。
出错返回-1，失败原因存于errno中。

取出子进程的退出信息

》WIFEXITED(status)
如果子进程是正常终止的，取出的字段值非零。
》WEXITSTATUS(status)
返回子进程的退出状态，退出状态保存在status变量的8~16位。在用此宏前应先用宏WIFEXITED判断子进程是否正常退出，正常退出才可以使用此宏。
注意：此status是个wait的参数指向的整型变量。

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

功能：
等待子进程终止，如果子进程终止了，此函数会回收子进程的资源。
返回值:
如果执行成功则返回子进程ID。
出错返回-1，失败原因存于errno中。
pid参数的值有以下几种类型：
》pid>0：
等待进程ID等于pid的子进程。
》pid=0
等待同一个进程组中的任何子进程，如果子进程已经加入了别的进程组，waitpid不会等待它。
》pid=-1：
等待任一子进程，此时waitpid和wait作用一样。
》pid<-1：
等待指定进程组中的任何子进程，这个进程组的ID等于pid的绝对值。
status参数中包含子进程退出时的状态信息。
options参数能进一步控制waitpid的操作：
》0：
同wait，阻塞父进程，等待子进程退出。
》WNOHANG：
没有任何已经结束的子进程，则立即返回。
》WUNTRACED
如果子进程暂停了则此函数马上返回，并且不予以理会子进程的结束状态。（跟踪调试，很少用到）
返回值:
成功：
返回状态改变了的子进程的进程号；如果设置了选项WNOHANG并且pid指定的进程存在则返回0。
出错：
返回-1。当pid所指示的子进程不存在，或此进程存在，但不是调用进程的子进程，waitpid就会出错返回，这时errno被设置为ECHILD。

》 僵尸进程（Zombie Process）
进程已运行结束，但进程的占用的资源未被回收，这样的进程称为僵尸进程。子进程已运行结束，父进程未调用wait或waitpid函数回收子进程的资源是子进程变为僵尸进程的原因。
》 孤儿进程（Orphan Process）
父进程运行结束，但子进程未运行结束的子进程。
》 守护进程（精灵进程）（Daemon process）
守护进程是个特殊的孤儿进程，这种进程脱离终端，在后台运行。

在Linux下可以通过以下方式结束正在运行的进程：

》void exit(int value);

》void _exit(int value);

》 exit函数：结束进程执行
#include <stdlib.h>
void exit(int value)
参数：
status：返回给父进程的参数(低8位有效)。
》 _exit函数：结束进程执行
#include <unistd.h>
void _exit(int value)
参数:
status:返回给父进程的参数(低8位有效)。
exit和_exit函数的区别：
exit为库函数，而_exit为系统调用

进程在退出前可以用atexit函数注册退出处理函数。

#include <stdlib.h>
int atexit(void (*function)(void));
功能：
	注册进程正常结束前调用的函数，进程退出执行注册函数。
参数：
	function：进程结束前，调用函数的入口地址。
一个进程中可以多次调用atexit函数注册清理函数，
正常结束前调用函数的顺序和注册时的顺序相反。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void clear_fun1(void)
{
	printf("perform clear fun1 \n");
}

void clear_fun2(void)
{
	printf("perform clear fun2 \n");
}

void clear_fun3(void)
{
	printf("perform clear fun3 \n");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	atexit(clear_fun1);
	atexit(clear_fun2);
	atexit(clear_fun3);
	printf("process exit 3 sec later!!!\n");
	sleep(3);
	return 0;
}

vfork函数：创建一个新进程

pid_t vfork(void)
功能：
vfork函数和fork函数一样都是在已有的进程中创建一个新的进程，但它们创建的子进程是有区别的。
返回值:
创建子进程成功，则在子进程中返回0,父进程中返回子进程ID。出错则返回-1。

fork和vfork函数的区别：

》 vfork保证子进程先运行，在它调用exec或exit之后，父进程才可能被调度运行。
》 vfork和fork一样都创建一个子进程，但它并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中，
因为子进程会立即调用exec(或exit)，于是也就不访问该地址空间。
相反，在子进程中调用exec或exit之前，它在父进程的地址空间中运行，
在exec之后子进程会有自己的进程空间。

进程的替换

》 exec函数族，是由六个exec函数组成的。
1.exec函数族提供了六种在进程中启动另一个程序的方法。
2.exec函数族可以根据指定的文件名或目录名找到可执行文件。
3.调用exec函数的进程并不创建新的进程，故调用exec前后，进程的进程号并不会改变，其执行的程序完全由新的程序替换，而新程序则从其main函数开始执行。
** exec函数族取代调用进程的数据段、代码段和堆栈段。**

exec函数族

#include <unistd.h>
int execl(const char *pathname,const char *arg0,…,NULL);
int execlp(const char *filename,const char *arg0,…,NULL);
int execle(const char *pathname,const char *arg0,…,NULL,char *const envp[]);
int execv(const char *pathname,char *const argv[]);
int execvp(const char *filename,char *const argv[]);
int execve(const char *pathname,char *const argv[],char *const envp[]);

》 六个exec函数中只有execve是真正意义的系统调用(内核提供的接口)，其它函数都是在此基础上经过封装的库函数。
》 l(list)：
参数地址列表，以空指针结尾。
》 参数地址列表
char *arg0, char *arg1, ..., char *argn, NULL
》 v(vector)：
存有各参数地址的指针数组的地址。用时先构造一个指针数组，指针数组存各参数的地址，然后将该指针数组地址作为函数的参数。

p(path)

按PATH环境变量指定的目录搜索可执行文件。以p结尾的exec函数取文件名做为参数。当指定filename作为参数时，若filename中包含/，则将其视为路径名，并直接到指定的路径中执行程序。

e(environment)：

存有环境变量字符串地址的指针数组的地址。execle和execve改变的是exec启动的程序的环境变量（新的环境变量完全由environment指定），其他四个函数启动的程序则使用默认系统环境变量。

》exec函数族与一般的函数不同，exec函数族中的函数执行成功后不会返回。只有调用失败了，它们才会返回－1。失败后从原程序的调用点接着往下执行。
》在平时的编程中，如果用到了exec函数族，一定要记得加错误判断语句。

一个进程调用exec后，除了进程ID，进程还保留了下列特征不变：
》父进程号
》进程组号
》控制终端
》根目录
》当前工作目录
》进程信号屏蔽集
》未处理信号
》...

#include <stdlib.h>
int system(const char *command);
功能：
	system会调用fork函数产生子进程，子进程调用exec启动/bin/sh -c string来
	执行参数string字符串所代表的命令，此命令执行完后返回原调用进程。
参数：
	要执行的命令的字符串。
返回值：
	如果command为NULL，则system()函数返回非0，一般为1。
	如果system()在调用/bin/sh时失败则返回127，
	其它失败原因返回-1。
》注意:
system调用成功后会返回执行shell命令后的返回值。其返回值可能为1、127也可能为-1，
故最好应再检查errno来确认执行成功。