Unix/Linux进程管理
3.1 多任务处理
在计算机技术中，多任务处理指的是同时执行几个独立的任务。多任务处理是通过在不同任务之间多路复用CPU的执行时间来实现的，即将CPU执行操作从一个任务切换到另一个任务。不同任务之间的执行切换机制称为上下文切换，将一个任务的执行环境更改为另一个任务的执行环境。如果切换速度足够快，就会给人一种同时执行所有任务的错觉。这种逻辑并行性称为"并发"。
3.2 进程的概念
相关学习链接：https://blog.csdn.net/m0_65835264/article/details/127164091
操作系统是一个多任务处理系统。在操作系统中，任务也称为进程。
在实际应用中，任务和进程这两个术语可以互换使用。
执行映像定义为包含执行代码、数据和堆栈的存储区。
进程的正式定义：进程是对映像的执行。
操作系统内核将一系列执行视为使用系统资源的单一实体。
在操作系统内核中，每个进程用一个独特的数据结构表示，我们直接称它为PROC 结构体。与包含某个人所有信息的个人记录一样，PROC结构体包含某个进程的所有信息。在实际操作系统中，PROC结构体可能包含许多字段，而且数量可能很庞大。
我们来定义一个非常简单的PROC结构体来表示进程：
1 typedef struct proc{
2 struct proc *next; //下一个进程指针
3 int *ksp; //保存sp:在字节偏移4
4 int pid; //进程ID
5 int ppid; //父进程pid
6 int status; //进程状态=PREE|READY等
7 int priority; //调度优先级
8 int kstack[1024]; //进程执行堆栈
9 } PROC;
查看进程用户：
3.7 Unix/Linux中的进程
3.7.1 进程来源
当操作系统启动时，操作系统内核的启动代码会强行创建一个PID=0的初始进程，即通过分配PROC结构体进行创建，初始化PROC内容，并让运行指向proc[0]。然后，系统执行P0，初始化系统硬件和内核数据结构。然后挂载一个根文件系统，使得系统可以使用文件。然后P0复刻出一个子进程P1，并把进程切换为用户模式运行P1。
3.7.2 INIT和守护进程
P1通常被成为INIT进程。P1开始复刻出许多子程序。P1的大部分子进程都是用来提供系统服务的，在后台运行，不与任何用户交互，成为守护进程。
守护进程例子：
syslogd:log daemon process inetd:Internet service daemon process httpd: HTTP server daemon process etc.
3.7.3 登录进程
除了守护进程外，P1还复刻出了许多LOGIN进程，每个终端一个，用于用户登录。
每个LOGIN进程打开三个与自己终端相关联的文件流。这三个文件流是用于标准输入的stdin、用于标准输出的stdout和用于标准错误消息的stderr。
每个文件流都是指向进程堆区的FILE结构体指针，每个结构体记录一个文件描述符（数字）。stdin的是0，stdout是1，stderr是2。
每个LOGIN进程向stdout显示一个login:
等待用户登录。用户账户保存在/etc/passwd和/etc/shadow文件中。每个用户账户在表单的/etc/passwd文件中都有一行对应的记录：name:x:gid:uid:description:home:program
- name是用户登陆名
- x是登录检查密码
- gid是用户组ID
- uid是用户ID
- home是用户主目录
- program是用户登录后执行的初始程序
其他用户信息保存在/etc/shadow文件中。当用户尝试使用登录名和密码登录时，Linux将检查/etc/passwd文件和/etc/shadow文件（有点像PIN码这里感觉，不知道是不是），以验证用户的身份。
3.7.4 sh进程
当用户成功登陆时，LOGIN进程会获取用户的gid和uid，从而成为用户的进程。它将目录更改为用户的主目录并执行列出的程序。用户进程执行sh，故用户进程通常成为sh进程。cd、退出、注销等由sh自己执行。对于每个（可执行）文件的命令，sh会复刻一个子进程，并等待子进程终止。子进程将其执行映像更改为命令文件并执行命令程序。子进程在终止时会唤醒父进程sh。除简单的命令外，sh还支持I/O重定向和通过管道连接的多个命令。
查看sh进程：
3.7.5 进程的执行模式
进程的执行映像：
Umode进程只能通过以下三种方式进入Kmode:
- 中断
- 陷阱
- 系统调用
3.8 进程管理的系统调用
Linux中与进程管理相关的系统调用：fork()，wait()，axec()，exit()。
每个都是发出实际系统调用的库函数：int syscall (int a, int b, int c, int d)。a表示系统调用号，b,c,d表示对应核函数的参数。
3.8.1 fork()
以如下代码为例：
#include<stdio.h>
int main()
{
int pid;
printf("this is %d my parent=%d\n",getpid(),getppid());
① pid=fork(); //复刻一个子进程
if(pid){
② printf("this is process %d child pid=%d\n",getpid(),pid);
}//打印正在执行进程的PID和新复刻子进程的PID
else
{
③ printf("this is process %d parent=%d\n",getpid(),getppid());
}//打印子进程的PID，应与第②行中子、父进程的PID相同
}
3.8.2 进程执行顺序
在fork()完成后，子进程与父进程和系统中所有其他进程竞争CPU运行时间。接下来运行哪个程序取决于它们的调度优先级（呈动态变化）。以如下代码演示执行顺序：
#include<stdio.h>
int main()
{
int pid=fork();
if(pid)
{
printf("parent %d child=%d\n",getpid(),pid);
//①sleep(1);
printf("parent %d exit\n",getpid());
}
else
{
printf("child %d start my parent=%d\n",getpid(),getppid());
//②sleep(2);
printf("child %d exit my parent=%d\n",getpid(),getppid());
}
}
（1）取消第一行注释，让父进程休眠1秒钟，子进程先行运行完成。
（2）取消第二行注释，但不取消第一行注释，让子进程休眠2秒钟。
（3）取消第一行和第二行的注释，结果和第二行一样。
3.8.3 进程终止
执行程序映像的进程可能以两种方式终止：
（1）正常终止。每个C程序的main函数都是由C启用代码crt0.o调用的，如果程序执行成功，main()最终会返回到crt0.o，调用库函数exit(0)来终止进程。首先，exit(value)函数会执行一些清理工作，随后，其发出一个系统调用，使进入操作系统内核的进程终止。退出0通常表示正常终止。当内核中的某个进程终止时，它会将_exit(value)系统调用中的值记录为进程PROC结构体中的退出状态。并通知其父进程并使该进程成为僵尸进程。pid=wait(int *status);父进程可通过系统调用找到僵尸子进程，获得其pid和退出状态。它还会清空僵尸子进程PROC结构体，使该结构可被另一个进程重用。
（2）异常终止。在执行某程序时，进程可能会遇到错误，如非法指令、越权、除零等。这些错误会被CPU识别为异常。当出现异常时，它会进入操作系统内核，内核的异常处理程序将陷阱错误类型转化为一个幻数，称为信号，将信号传递给进程，使进程终止，此时僵尸进程的退出状态是信号编号。除了陷阱错误，信号也可能来自硬件或其他进程。eg:按下“Ctrl+C”组合键会产生一个硬件中断信号。或者，用户可以使用命令：kill -s signal_number pid通过向pid识别的目标发送信号。对于大多数信号数值，进程的默认操作是终止。
在这两种情况下，当进程终止时，最终都会在操作系统内核中调用kexit()函数。唯一的区别是Unix/Linux内核将擦除终止进程的用户模式映像。
在Linux中，每个PROC都有一个2字节的退出代码（exitCode)字段，用于记录进程退出状态。如果进程正常终止，exitCode的高字节位是_exit(exitValue)系统调用中的exitValue。低字节位是导致异常终止的信号数值。因为一个进程只能死亡一次，所以只有一个字节有意义。
相关学习链接：https://blog.csdn.net/qq_43386754/article/details/85325442
3.8.4 等待子进程终止
在任何时候，一个进程都可以使用int pid=wait(int *status);系统调用，等待僵尸子进程。如果成功，则wait()会返回僵尸子进程的PID，而且status包含僵尸子进程的exitCode。此外，wait()还会释放僵尸子进程，以供重新使用。wait()系统调用将调用内核中的kwait()函数。
以如下程序演示等待和退出系统调用：
1 #include<stdio.h>
2 #include<stdlib.h>
3 int main()
4 {
5 int pid,status;
6 pid=fork();
7 if(pid)
8 {
9 printf("parent %d waits for child %d to die\n",getpid(),pid);
10 pid=wait(&status);
11 printf("dead child =%d,status=0x%04x\n",pid,status);
12 }
13 else{
14 printf("child %d dies by exit(VALUE)\n",getpid());
15 exit(100);
16 }
17 }
相关学习链接：https://blog.csdn.net/weixin_65143691/article/details/129928033
3.8.5 Linux中的subreaper进程
1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <wait.h>
4 #include <sys/prctl.h>
5 int main()
6 {
7 int pid,r,status;
8 printf("mark process %d as a subreaper\n",getpid());
9 r = prctl(PR_SET_CHILD_SUBREAPER);
10 pid = fork();
11 if(pid)
12 {
13 printf("subreaper %d child = %d\n", getpid(), pid);
14 while (1)
15 {
16 pid = wait(&status);
17 if (pid > 0)
18 printf("subreaper %d waited a ZOMBIE=%d\n",getpid(), pid);
19 else
20 break;
21 }
22 }
23 else
24 {
25 printf("child %d parent = %d\n", getpid(), (pid_t)getppid());
26 pid = fork();
27 if (pid)
28 {
29 printf("child=%d start: grandchild=%d\n", getpid(),pid);
30 printf("child=%d EXIT: grandchild=%d\n",getpid(),pid);
31 }
32 else
33 {
34 printf("grandchild=%d start:myparent=%d\n",getpid(),getppid());
35 printf("grandchild=%d EXIT:myparent=%d\n", getpid(),getppid());
36 }
37 }
38 }
运行结果：
3.8.6 exec()：更改进程执行映像
用man 3 exec查看
- exec()库函数成员
用man execve 查看execve()系统调用：
- 各参数
3.8.7 环境变量
查看环境变量：
SHELL:指定将解释任何用户命令的sh
TERM：指定运行sh时要模拟的终端类型
USER：当前登录用户
PATH：系统在查找命令时将检查的目录列表
HOME：用户的主目录。在Linux中，所有用户主目录都在/home中
HOME=/home/newhome
3.9 I/O重定向
3.9.1 文件流和文件描述符
3.9.2 文件流I/O和系统调用
scanf("%s",&item);它会试图从stdin文件输入一个（字符串）项，指向FILE结构体。如果FILE结构体的fbuff]为空，它会向Linux内核发出read系统调用，从文件描述符0中读取数据，映射到终端(/dev/ttyX）或伪终端（/dev/pts/#）键盘上。
3.9.3 重定向标准输入
3.9.4 重定向标准输出
3.10 管道
3.10.1 Unix/Linux中的管道编程
管道操作模型：
以下代码演示了管道操作：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4
5 int pd[2], n,i;
6 char line[256];
7
8 int main()
9 {
10 pipe(pd);// create a pipe
11 printf("pd=[%d, %d]\n", pd[0], pd[1]);
12 if(fork()){
13 printf("parent %d close pd[0]\n", getpid());
14 pclose(pd[0]);//parent as pipe WRITER
15 while(i++ < 10){ // parent writes to pipe 10 times
16 printf("parent %d writing to pipe\n", getpid());
17 n=fwrite(pd[1],"I AM YOUR PAPA", 16);
18 printf("parent %d wrote %d bytes to pipe\n", getpid(), n);
19 }
20 printf("parent %d exit\n",getpid());
21 }
22 else{
23 printf("child %d close pd[1]\n", getpid());
24 close(pd[1]);// child as Dipe READER
25 while(1){//child read from pipe
26 printf("child %d reading from pipe\n", getpid());
27 if ((n = fread(pd[0],line,128))){ // try to read 128 bytes
28 line[n]=0;
29 printf("child read %d bytes from pipe: %s\n", n,line);
30 }
31 else // pipe has no data and no writer
32 exit(0);
33 }
34 }
35 }
3.10.2 管道命令处理
3.10.3 将管道写进程与管道读进程连接起来
3.10.4 命令管道
向ChatGpt请求苏格拉底式询问
学习总结
通过测试书上的代码案例，我对进程管理有了更加深刻的理解。对于第9、10节的内容还不是很理解，需要进一步学习相关知识。
标签：child,第三章,int,Linux,pid,Unix,getpid,printf,进程 From： https://www.cnblogs.com/20211115fyq/p/17780466.html