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Linux多进程开发

2024-06-18 14:46:50   2  举报

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Linux后端

作者其他创作

大纲/内容

这些信息描述了如何在运行时创建一个进程

每个程序文件都包含用于描述可执行文件格式的元信息

内核利用此信息来解释文件中的其他信息(ELF可执行链接格式)

二进制格式标识

对程序算法进行编码

机器语言指令

标识程序开始执行时的起始指令位置

程序入口地址

程序文件包含的变量初始值和程序使用的字面量值(比如字符串)

数据

描述程序中函数和变量的位置及名称

这些表格有多重用途，其中包括调试和运行时的符号解析（动态链接）

符号表及重定位表

程序文件所包含的一些字段，列出了程序运行时需要使用的共享库，以及加载共享库的动态连接器的路径名

共享库和动态链接信息

程序文件还包含许多其他信息，用以描述如何创建进程

其他信息

程序是包含一系列信息的文件

程序

进程是正在运行的程序的实例

是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动

操作系统动态执行的基本单元

简介

进程

可以用一个程序来创建多个进程

进程是由内核定义的抽象实体，并为该实体分配用以执行程序的各项系统资源

其中用户内存空间包含了程序代码及代码所使用的变量

与进程相关的标识号（IDs）

虚拟内存表

文件的描述符表

信号传递及处理的有关信息

进程资源使用及限制

当前工作目录

内核数据结构则用于维护进程状态信息

进程由用户内存空间和一系列内核数据结构组成

联系

程序和进程

在计算机内存中只允许一个的程序运行

单道程序

在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序

为了提高 CPU 的利用率

多道程序设计

任意时刻，一个CPU 上运行的程序只有一个

当下常见 CPU 为纳秒级，1秒可以执行大约 10 亿条指令，由于人眼的反应速度是毫秒级，所以看似同时在运行

单道、多道程序设计

又称为“量子（quantum）”或“处理器片（processor slice）”是操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段 CPU 时间

通常很短（在 Linux 上为 5ms－800ms）

首先，内核会给每个进程分配相等的初始时间片

然后每个进程轮番地执行相应的时间

当所有进程都处于时间片耗尽的状态时，内核会重新为每个进程计算并分配时间片

时间片由操作系统内核的调度程序分配给每个进程

时间片

指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行

并行(parallel)

指在同一时刻只能有一条指令执行

但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果

并发(concurrency)

并行和并发

为了管理进程，内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述

内核为每个进程分配一个 PCB(Processing Control Block)进程控制块，维护进程相关的信息

在 /usr/src/linux-headers-xxx/include/linux/sched.h 文件中可以查看 struct task_struct 结构体定义

系统中每个进程有唯一的 id，用 pid_t 类型表示，其实就是一个非负整数

pid进程id

用于多线程

tgid线程组的id

指向创建该进程的父进程的task_struct

parent

一个列表，包含这个进程创建的所有子进程

children

基础字段

utime用户态消耗的CPU时间

stime内核态消耗的CPU时间

start_time: 进程开始的时间。

时间和计时

文件系统

files：指向 files_struct 结构的指针

该结构描述了进程打开的所有文件和相关的文件描述符

文件描述符表的file_struct会复制，但是文件描述符通常是一个索引，指向一个全局的文件对象表，这个表是共享的，但描述符的引用计数会增加。这意味着父子进程会共享相同的文件偏移量

文件描述符表

mm: 指向mm_struct的指针，用于管理进程地址空间的信息。

包含了虚拟地址空间的所有信息，例如页表、代码段、数据段和堆栈段的地址范围

font color=\"#4669ea\

内存管理

rlim：这是一个 resource_limits 结构

描述了进程可以使用的各种资源（如CPU时间、内存大小等）的上限

子进程\"继承\"父进程的rlim，但是它可以独立动态地去修改

进程可以使用的资源上限

signal：这个字段指向 signal_struct，其中包括与控制终端相关的信息，如前台进程组ID。

blocked：当前被阻塞的信号集

pending：当前待处理的信号集

和信号相关的信息

有就绪、运行（RUNNING）、挂起、停止(STOPPED)等状态

state进程的状态

由内核决定

用于短期精细的调度

prio: 进程的动态优先级

由用户或进程自身决定

用于长期大致的优先级

static_prio: 进程的静态优先级

normal_prio: 基于进程类型和优先级计算出的标准优先级

状态和调度

进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器

thread_struct：保存特定于架构的寄存器信息，例如程序计数器、堆栈指针等。

umask：保存文件创建模式掩码

umask掩码

cred：这是一个指向 cred 结构的指针

该结构包含了用户ID（uid）、组ID（gid）以及其他权限和安全相关信息

用户ID和组ID

session：会话ID

pgrp：进程组ID

会话和进程组

flags: 各种进程标志。

comm: 存储进程名。

其他

主要字段(红色表示fork完全复制，蓝色表示fork特殊处理，紫色表示fork不会复制)

Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体

进程控制块(PCB)

进程概述

进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行。

当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源后，只要再获得CPU，便可立即执行

在一个系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将它们排成一个队列，称为就绪队列

就绪态

进程占有处理器正在运行

运行态

又称为等待(wait)态或睡眠(sleep)态

指进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成

阻塞态

三态模型

进程刚被创建时的状态，尚未进入就绪队列

新建态

进程完成任务到达正常结束点，或出现无法克服的错误而异常终止，或被操作系统及有终止权的进程所终止时所处的状态

进入终止态的进程以后不再执行，但依然保留在操作系统中等待善后

一旦其他进程完成了对终止态进程的信息抽取之后，操作系统将删除该进程

终止态

五态模型

状态模型

ps aux / ajx

a：显示终端上的所有进程，包括其他用户的进程

u：显示进程的详细信息

x：显示没有控制终端的进程

j：列出与作业控制相关的信息

查看进程

D 不可中断 Uninterruptible（usually IO）

R 正在运行，或在队列中的进程

S(大写) 处于休眠状态

T 停止或被追踪

Z 僵尸进程

W 进入内存交换（从内核2.6开始无效）

X 死掉的进程

< 高优先级

N 低优先级

s 包含子进程

+ 位于前台的进程组

STAT参数意义

可以在使用 top 命令时加上 -d 来指定显示信息更新的时间间隔

M 根据内存使用量排序

P 根据 CPU 占有率排序

T 根据进程运行时间长短排序

U 根据用户名来筛选进程

K 输入指定的 PID 杀死进程

在 top 命令执行后，可以按以下按键对显示的结果进行排序

top

实时显示进程动态

kill [-signal] pid

kill –l 列出所有信号

kill –SIGKILL 进程ID

kill -9 进程ID

killall name 根据进程名杀死进程

杀死进程

进程相关命令

每个进程都由进程号来标识，其类型为 pid_t（整型），进程号的范围：0～32767

进程号总是唯一的，但可以重用。当一个进程终止后，其进程号就可以再次使用。

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）

默认情况下，当前的进程号会当做当前的进程组号

pid_t getpid(void);

pid_t getppid(void);

pid_t getpgid(pid_t pid);

进程号和进程组相关函数

进程号和相关函数

进程状态转换

系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。

#include <sys/types.h>#include <unistd.h>pid_t fork(void);

成功：子进程中返回 0，父进程中返回子进程 ID

失败：返回 -1

返回值

当前系统的进程数已经达到了系统规定的上限，这时 errno 的值被设置为 EAGAIN

系统内存不足，这时 errno 的值被设置为 ENOMEM

失败的主要原因

函数原型

进程创建

fork之后，子进程的用户区和父进程一样

内核区的大部分也会拷贝过来

pid不会拷贝

父子进程虚拟地址空间

可以在 fork 函数调用之前，通过指令设置 GDB 调试工具跟踪父进程或者是跟踪子进程，默认跟踪父进程

设置调试父进程或者子进程：set follow-fork-mode [parent（默认）| child]

默认为 on，表示调试当前进程的时候，其它的进程继续运行，如果为 off，调试当前进程的时候，其它进程被 GDB 挂起。

设置调试模式：set detach-on-fork [on | off]

查看调试的进程：info inferiors

切换当前调试的进程：inferior id

使进程脱离 GDB 调试：detach inferiors id

GDB多进程调试

进程创建fork

属于Linux系统函数

立即终止调用进程，并返回一个状态码给父进程。它不执行任何额外的清理操作。

功能

status 是返回给父进程的退出状态

参数

void _exit(int status); 或 void _Exit(int status);

C语言函数

执行一些额外清理操作，然后再调用_exit函数

调用所有已注册的 atexit 和 on_exit 函数

刷新所有标准 I/O 流

关闭所有标准 I/O 流

删除临时文件

额外操作

void exit(int status);

进程退出

在每个进程退出的时候，内核释放该进程所有的资源、包括打开的文件、占用的内存等

但是仍然为其保留一定的信息，这些信息主要主要指进程控制块PCB的信息（包括进程号、退出状态、运行时间等）

父进程可以通过调用wait或waitpid得到它的退出状态同时彻底清除掉这个进程

wait() 和 waitpid() 函数的功能一样，区别在于，wait() 函数会阻塞，waitpid() 可以设置不阻塞，waitpid() 还可以指定等待哪个子进程结束。

一次wait或waitpid调用只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环。

注意

等待任意一个子进程结束，如果任意一个子进程结束了，次函数会回收子进程的资源。

进程退出时的状态信息，传入的是一个int类型的地址，传出参数。

例如我使用kill -9杀死子进程，9会被传入wstatus中

返回被回收的子进程的id

成功

-1(所有子进程都结束，调用函数失败)

失败

调用wait函数的进程会被挂起（阻塞），直到它的一个子进程退出或者收到一个不能被忽略的信号时才被唤醒（相当于继续往下执行）如果没有子进程了，函数立刻返回，返回-1；如果子进程都已经结束了，也会立即返回，返回-1.

#include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> pid_t wait(int *wstatus);

回收指定进程号的子进程，可以设置是否阻塞

pid > 0 : 某个子进程的pid

pid = 0 : 回收当前进程组的所有子进程

pid = -1 : 回收所有的子进程，相当于 wait() （最常用）

pid < -1 : 某个进程组的组id的绝对值，回收指定进程组中的子进程

pid

设置阻塞或者非阻塞

0 : 阻塞

WNOHANG : 非阻塞

options

> 0 : 返回子进程的id

=0：在非阻塞情况下会出现，表示还有子进程未退出

-1：错误，没有子进程了

种类

进程回收

是根据指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容

换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件

一般创建一个子进程执行exec函数族

作用

exec 函数族的函数执行成功后不会返回

调用进程的实体(用户区)，包括代码段，数据段和堆栈等都已经被新的内容取代，只留下进程 ID 等一些表面上的信息仍保持原样

只有调用失败了，它们才会返回 -1，设置errno，从原程序的调用点接着往下执行

特点

参数地址列表，以空指针结尾

l(list)

存有各参数地址的指针数组的地址

v(vector)

按 PATH 环境变量指定的目录搜索可执行文件

p(path)

存有环境变量字符串地址的指针数组的地址

e(environment)

函数族后缀含义

第一个参数是要执行程序的路径

第一个参数一般是程序的名称

从第二个开始是程序执行需要的参数

有时将NULL成为哨兵

后面的参数是传递给程序的参数列表，以 NULL 结尾

font color=\"#e74f4c\

第一个参数是要执行程序的文件名，它会去环境变量中查找指定文件

最后一个参数是一个环境变量数组

第二个参数是一个字符串数组，其中包含要传递给新程序的所有参数

第一个参数是要执行程序的文件名

非POSIX标准，某些Unix-like系统可用(如Linux)

exec 函数族中最底层的系统函数，属于Linux系统函数，其他函数最终都会调用这个函数

第一个参数是要执行的程序文件名

第二个参数是一个字符串数组（参数列表）

第三个参数是一个环境变量数组

函数种类

exec函数族

进程相关函数

父进程运行结束，但子进程还在运行（未运行结束），这样的子进程就称为孤儿进程（Orphan Process）。

每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤儿进程的父进程设置为 init ，而 init 进程会循环地 wait() 它的已经退出的子进程

孤儿进程并不会有什么危害

孤儿进程

进程终止时，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程

僵尸进程

在 UNIX 系统中，用户通过终端登录系统后得到一个 shell 进程，这个终端成为shell 进程的控制终端（Controlling Terminal）

进程中，控制终端是保存在 PCB 中的信息，而 fork() 会复制 PCB 中的信息，因此由 shell 进程启动的其它进程的控制终端也是这个终端

默认情况下（没有重定向），每个进程的标准输入、标准输出和标准错误输出都指向控制终端，进程从标准输入读也就是读用户的键盘输入，进程往标准输出或标准错误输出写也就是输出到显示器上

在控制终端输入一些特殊的控制键可以给前台进程发信号，例如 Ctrl + C 会产生 SIGINT 信号，Ctrl + \\ 会产生 SIGQUIT 信号

终端

进程组是一组相关进程的集合

会话是一组相关进程组的集合

进程组和会话在进程之间形成了一种两级层次关系

进程组和会话是为支持 shell 作业控制而定义的抽象概念，用户通过 shell 能够交互式地在前台或后台运行命令

进行组由一个或多个共享同一进程组标识符（PGID）的进程组成。一个进程组拥有一个进程组首进程，该进程是创建该组的进程，其进程 ID 为该进程组的 ID，新进程会继承其父进程所属的进程组 ID

进程组拥有一个生命周期，其开始时间为首进程创建组的时刻，结束时间为最后一个成员进程退出组的时刻。一个进程可能会因为终止而退出进程组，也可能会因为加入了另外一个进程组而退出进程组。进程组首进程无需是最后一个离开进程组的成员

会话首进程是创建该新会话的进程，其进程 ID 会成为会话 ID。新进程会继承其父进程的会话 ID

一个会话中的所有进程共享单个控制终端。控制终端会在会话首进程首次打开一个终端设备时被建立。一个终端最多可能会成为一个会话的控制终端

在任一时刻，会话中的其中一个进程组会成为终端的前台进程组，其他进程组会成为后台进程组。只有前台进程组中的进程才能从控制终端中读取输入。当用户在控制终端中输入终端字符生成信号后，该信号会被发送到前台进程组中的所有成员

当控制终端的连接建立起来之后，会话首进程会成为该终端的控制进程

介绍

作用：获取调用进程的进程组ID

语法：pid_t getpgrp(void);

返回值：返回调用进程的进程组ID。

getpgrp

作用：获取指定进程的进程组ID

语法：pid_t getpgid(pid_t pid);

pid：要查询的进程ID。如果pid为0，则返回调用进程的进程组ID

返回指定进程的进程组ID

失败时返回-1

getpgid

作用：设置进程的进程组ID

pid：要设置的进程ID。如果pid为0，则使用调用进程的ID。

pgid：要设置的进程组ID。如果pgid为0，则使用pid指定的进程ID作为新的进程组ID

成功时返回0

setpgid

作用：获取指定进程的会话ID

语法：pid_t getsid(pid_t pid);

pid：要查询的进程ID。如果pid为0，则返回调用进程的会话ID

返回指定进程的会话ID

getsid

作用：创建一个新会话，并使调用进程成为该新会话的领导进程

语法：pid_t setsid(void);

成功时返回新会话的ID

setsid