LINUX 的进程控制

单击此处编辑母版标题样式,Linux系统的进程控制,在Linux系统中，进程控制的功能是由内核的进程控制子系统实现的，并以系统调用的形式提供给用户进程或其他系统进程使用。,1. 进程的创建与映像更换,系统启动时执行初始化程序，启动进程号为1的init进程运行。系统中所有的其他进程都是由init进程衍生而来的。除init进程外，每个进程都是由另一个进程创建的。新创建的进程称为子进程，创建子进程的进程称为父进程。Unix/Linux系统建立新进程的方式与众不同。它不是一步构造出新的进程，而是采用先复制再变身的两个步骤，即先按照父进程创建一个子进程，然后再更换进程映像开始执行。,1) 创建进程创建一个进程的系统调用是fork()。创建进程采用的方法是克隆，即用父进程复制一个子进程。做法是：先获得一个空闲的PCB，为子进程分配一个PID，然后将父进程的PCB中的代码及资源复制给子进程的PCB，状态置为可执行态。建好PCB后将其链接入进程链表和可执行队列中。此后，子进程与父进程并发执行。父子进程执行的是同一个代码，使用的是同样的资源。它与父进程的区别仅仅在于PID(进程号)、PPID(父进程号)和与子进程运行相关的属性(如状态、累计运行时间等)，而这些是不能从父进程那里继承来的。,fork(),系统调用【功能】创建一个新的子进程。【调用格式】int fork();【返回值】0向子进程返回的返回值，总为0 0向父进程返回的返回值，它是子进程的PID。-1创建失败。【说明】若fork()调用成功，则它向父进程返回子进程的PID，并向新建的子进程返回0。图4-7描述了fork()系统调用的执行结果。,图 fork系统调用的执行结果,从图中可以看出，当一个进程成功执行了fork()后，从该调用点之后分裂成了两个进程：一个是父进程，从fork()后的代码处继续运行；另一个是新创建的子进程，从fork()后的代码处开始运行。由fork()产生的进程分裂在结构上很像一把叉子，故得名fork()。与一般函数不同，fork()是“一次调用，两次返回”，因为调用成功后，已经是两个进程了。由于子进程是从父进程那里复制的代码，因此父子进程执行的是同一个程序，它们在执行时的区别只在于得到的返回值不同。父进程得到的返回值是一个大于0的数，它是子进程的PID；子进程得到的返回值为0。,若程序中不考虑fork()的返回值，则父子进程的行为就完全一样了。但创建一个子进程的目的是想让它做另一件事。所以，通常的做法是：在fork()调用后，通过判断fork()的返回值，分别为父进程和子进程设计不同的执行分支。这样，父子进程执行的虽是同一个代码，执行路线却分道扬镳。图4-8描述了用fork()创建子进程的常用流程。,图 用fork创建子进程,例1,一个简单的fork_test程序：#include main() int rid; rid = fork(); if (rid 0 ) / 父进程分支 printf(“I am parent, my rid is %d, my PID is %dn”, rid, getpid(); else / 子进程分支 printf(“I am child, my rid is %d, my PID is %dn”, rid, getpid();,注：程序中的getpid()是一个系统调用，它返回本进程的进程标识号PID。fork_test程序运行时，父子进程将会输出不同的信息，如父进程的输出可能是“I am parent, my rid is 8229, my PID is 8228”；子进程的输出可能是“I am child, my rid is 0, my PID is 8229”。由于两进程是并发的，它们输出信息的先后次序不确定，有可能父先子后，也可能相反。,2) 更换进程映像进程映像是指进程所执行的程序代码及数据。fork()是将父进程的执行映像拷贝给子进程，因而子进程实际上是父进程的克隆体。但通常用户需要的是创建一个新的进程，它执行的是一个不同的程序。Linux系统的做法是，先用fork()克隆一个子进程，然后在子进程中调用exec()，使其脱胎换骨，变换为一个全新的进程。exec()系统调用的功能是根据参数指定的文件名找到程序文件，把它装入内存，覆盖原来进程的映像，从而形成一个不同于父进程的全新的子进程。除了进程映像被更换外，新子进程的PID及其他PCB属性均保持不变，实际上是一个新的进程“借壳”原来的子进程开始运行。,exec(),系统调用【功能】改变进程的映像，使其执行另外的程序。【调用格式】exec()是一系列系统调用，共有6种调用格式，其中execve()是真正的系统调用，其余是对其包装后的C库函数。int execve(char *path, char *argv, char *envp);int execl(char *path, char *arg0, char *arg1, . char *argn, 0);int execle(char *path, char *arg0, char *arg1, . char *argn, 0, char *exvp);,【参数说明】path为要执行的文件的路径名，argv为运行参数数组，envp为运行环境数组。arg0为程序的名称，arg1argn为程序的运行参数，0表示参数结束。例如：execl(“/bin/echo”, “echo”,“hello!”, 0);execle(“/bin/ls”, “ls”, “-l”, “/bin”, 0, NULL);前者表示更换进程映像为/bin/echo文件，执行的命令行是“echo hello!”。后者表示更换进程映像为/bin/ls文件，执行的命令行是“ls -l /bin”。【返回值】调用成功后，不返回，调用失败后，返回1。,与一般的函数不同，exec()是“一次调用，零次返回”，因为调用成功后，进程的映像已经被替换，无处可以返回了。图4-9描述了用exec()系统调用更换进程映像的流程。子进程开始运行后，立即调用exec()，变身成功后即开始执行新的程序了。,图4 用exec更换子进程的映像,例2,一个简单的fork-exec_test程序：,#include main() int rid;rid = fork(); if (rid 0 ) printf(“I am parentn”); else printf(“I am child, Ill change to echo!n”); execl(“/bin/echo”, “echo”, “hello!”, 0); /更换为echo ,Fork()返回后，父子进程分别执行各自的分支，父进程输出信息“I am parent”。子进程输出信息“I am child, Ill change to echo!”，然后调用exec()，变换为echo程序。echo随即开始执行并输出字符串“hello!”。,2. 进程的终止与等待1),进程的终止与退出状态导致一个进程终止运行的方式有两种：一是程序中使用退出语句主动终止运行，我们称其为正常终止；另一种是被某个信号杀死(例如，在进程运行时按Ctrl+c键终止其运行)，称为非正常终止。关于信号的介绍见0节。用C语言编程时，可以通过以下4种方式主动退出：(1) 调用exit(,status,)函数来结束程序；(2) 在main()函数中用return,status,语句结束；(3) 在main()函数中用return语句结束；(4) main()函数结束。,以上4种情况都会使进程正常终止，前3种为显式地终止程序的运行，后1种为隐式地终止。正常终止的进程可以返回给系统一个退出状态，即前2种语句中的,status,。通常的约定是：0表示正常状态；非0表示异常状态，不同取值表示异常的具体原因。例如对一个计算程序，可以约定退出状态为0表示计算成功，为1表示运算数有错，为2表示运算符有错，等等。如果程序结束时没有指定退出状态(如后两种退出)，则它的退出状态是不确定的。设置退出状态的作用是通知父进程有关此次运行的状况，以便父进程做相应的处理。因此，显式地结束程序并返回退出状态是一个好的Unix/Linux编程习惯，这样的程序可以将自己的运行状况告之系统，因而能很好地与系统和其他程序合作。,2) 终止进程进程无论以哪种方式结束，都会调用一个exit()系统调用，通过这个系统调用终止自己的运行，并及时通知父进程回收本进程。exit()系统调用完成以下操作：释放进程除PCB外的几乎所有资源；向PCB写入进程退出状态和一些统计信息；置进程状态为“僵死态”；向父进程发送“子进程终止(SIGCHLD)”信号；调用进程调度程序切换CPU的运行进程。,至此，子进程已变为“僵尸进程”，它不再具备任何执行条件，只是PCB还在。保留PCB的目的是为了保存有关该进程运行情况的重要的信息，比如这个进程的退出状态、运行时间的统计、收到信号的数目等。子进程的最后回收工作由父进程负责。父进程收集子进程的信息后将其PCB撤销。如果某一个进程由于某种原因先于子进程终止，由它创建的子进程就成为孤儿进程。当系统中出现孤儿进程时，init进程将会发现并收养它，成为它的父进程。由于init进程不会退出，所以所有的进程都会被收养。最后，在系统关机之前，init进程要负责结束所有的进程。,exit(),系统调用【功能】使进程主动终止。【调用格式】void exit(int status);【参数说明】status是要传递给父进程的一个整数，用于向父进程通报进程运行的结果状态。status的含义通常是：0表示正常终止；非0表示运行有错，异常终止。,3) 等待与收集进程在并发执行的环境中，父子进程的运行速度是无法确定的。但在许多情况下，我们希望父子进程的进展能够有某种同步关系。比如，父进程需要等待子进程的运行结果才能继续执行下一步计算，或父进程要负责子进程的回收工作，它必须在子进程结束后才能退出。这时就需要通过wait()系统调用来阻塞父进程，等待子进程结束。当父进程调用wait()时，自己立即被阻塞，由wait()检查是否有僵尸子进程。如果找到就收集它的信息，然后撤掉它的PCB；否则就阻塞下去，等待子进程发来终止信号。父进程被信号唤醒后，执行wait()，处理子进程的回收工作。经wait()收集后，子进程才真正的消失。,wait (),系统调用【功能】阻塞进程直到子进程结束；收集子进程。【调用格式】int wait(int *statloc);【参数说明】*statloc保存了子进程的一些状态。如果是正常退出，则其末字节为0，第2字节为退出状态；如果是非正常退出(即被某个信号所终止)，则其末字节不为0，末字节的低7位为导致进程终止的信号的信号值。若不关心子进程是如何终止的，可以用NULL作参数，即wait(NULL)。,【返回值】0子进程的PID。1调用失败。0其他。图4描述了用wait()系统调用等待子进程的流程。,图4 用wait实现进程的等待,例3,一个简单的wait-exit_test程序：#include #include main() int rid, cid, status; rid = fork(); if ( rid 0 ) printf(“fork error!”); exit(1); if ( rid = 0 ) printf(“I am a child. I will sleep a while.n”); sleep(10); / 睡眠10秒 exit(0); cid=wait(,printf(“I catched a child with PID of %d.n”, cid);if (status ,此例的执行过程是：父进程在创建子进程失败时会用exit(1)退出。成功创建子进程后，父进程调用wait()阻塞自己；子进程运行，先输出信息，睡眠10秒后用exit(0)退出向父进程发信号，告之自己已结束。父进程被唤醒后，从wait()返回，根据获得的子进程的PID和退出状态判断子进程的运行情况并输出相应的信息，然后用exit(0)退出。,3. 进程的阻塞与唤醒,运行中的进程，若需要等待一个特定事件的发生而不能继续运行下去时，则主动放弃CPU。等待的事件可能是一段时间、从文件中读出的数据、来自键盘的输入、某个资源被释放或是某个硬件产生的事件等。进程通过调用内核函数来阻塞自己，将自己加入到一个等待队列中。阻塞操作的步骤是：建立一个等待队列的节点，填入本进程的信息，将它链入指定的等待队列中；将进程的状态置为睡眠态；调用进程调度函数选择其他进程运行，并将本进程从可执行队列中删除。,