Linux系统编程：step1

一、程序和进程

1、程序和进程
（1）程序：二进制文件，占用的磁盘空间（未运行的，躺在磁盘中）
（2）进程：一个启动的程序（启动之后，程序就和磁盘没有关系了），所有的数据都在内存中，需要占用更多的系统资源（CPU，物理内存），例如：一个剧本（未拍摄，那可以看成程序），要把这个剧本的内容呈现出来（那就是进程），需要演员、道具，场地等（也就是电脑中的系统资源）。需要各个系统资源之间交互。
2、并发和并行
（1）并发：并不是某一个时间点的概念，是一个时间段的概念，常说的高并发服务器，说的是在一短时间内，处理的请求数（例如：1秒内处理的请求个数）。

例如：一个咖啡机（一个CPU），有100个人去打咖啡，1分钟只能打一杯咖啡，我们需要在1分钟之内让所有的人都能取到咖啡，那么采用的算法就是每人有0.6秒的时间取咖啡，虽然没打满，但是取到了咖啡，只有按照同样的方法进行下去，这就是一个高并发的例子。人相当于请求。
cpu在某一时间点只能处理一个进程，为了能并发处理，CPU会把一个时间段切割成一系列的时间碎片，分给不同的进程使用（有点像时分通信），一句话就是切割时间。
（2）并行

上图所示，由一个咖啡机变成了两台，也就是增加了一个CPU，用户看到的是并发量变大了，实际上是增加了处理器。例如：淘宝后台服务器提供服务，是通过许多的服务器进行并行提供服务。
小结：每个进程只能在某一时间段获取CPU，所有的进程都是轮循的获取CPU，一个进程不会独占CPU。
3、pcb
进程控制块（process control block）
作用：存在于内核当中，用来维护进程的相关信息，Linux内核PCB是task_struct结构体，也就是一个类型，里面有需要保存的信息（与C++里面面向对象编程如出一辙）。

重点部分：

• 进程id（系统中每个进程都有一个进程id（相当于每个人的身份证号），C语言中用pid_t（_t看到这个就表示通过了typedef进行了类型定义）类型表示）
• 进程的状态：就绪、运行、挂起、停止和初始状态
• 进程切换需要保存和恢复的一些CPU寄存器（CPU下有很多程序，由于并发执行，所以当一个进程执行到一半的时候，而CPU需要去执行其他进程，那么前一个进程需要保存到寄存器中，保存状态，以用于后面的继续执行）
• 描述虚拟地址空间：虚拟内存通过MMU映射到物理内存
• 描述控制终端的信息：因为运行一个进程之后，需要将信息打印到终端。
• 当前工作目录：在shell进程中，可以通过指令将工作工作目录打印出来
• umask：每一个进程都有这个，
• 文件描述符表
• 和信号相关的信息
• 用户id和组id
  
• 会话（session）（会话就是多个进程组组成）和进程组（将多个进程放到一起就组成了一个进程组，例如：一个家庭就是进程组，每个成员就是一个进程）；也就是进程组成进程组，进程组组成会话（会话相当于一个村，有多个家庭组成）
• 进程可以使用的资源上限（resource limit）
  
  以上信息都是保存在进程控制块（PCB）中的，每启动一个进程，都会在内核中的PCB中有记录。
  4、进程的五种状态
  
  初始态：一瞬间的事（怀孕）：时间太短，杀死不了(也就是不能直接到终止态）
  重要的状态：就绪态、运行态和挂起态。
• 就绪态：CPU中进程时分复用CPU，所以进程之间就是竞争关系，例如：一个进程1运行了，那就要去抢CPU的资源了，等待CPU分配并发时间段，这种等待的状态就是就绪态。（感觉自己准备好了，就缺一个机会）
• 运行态：进程1占用了CPU，可以运行了（人生巅峰，准备好且发挥能力），所以就绪态与运行态区别就是有无CPU。
• 挂起态：sleep（）函数就是让进程睡几秒钟，当睡醒了之后就条件满足可以继续执行。但是，睡醒了不能直接去进入运行态，还要去就绪态去抢CPU，不能插队，睡了一觉，就要老老实实去排队。
  终止态：kill -9 pid

二、进程控制（关键）

进程控制：讲的就是如何建立进程
程序a.out 编程进程，去shell进程中执行 ./a.out 变为子进程

Q:如何让一个父进程创建一个子进程？
A：int fork(void)
fork（叉子），子进程相当于父进程的一个拷贝，也就是子进程和父进程地址空间一样，也就是上图中除内核的其他部分完全一样。也就是用户区一样。但是内核区不一样，因为内核区中保存了PCB，而PCB中中保存的进程id是不一样的，所以，子、父进程不同的就是进程id不一样。
fork不同之处：有两个返回值，一个进程变为两个进程之后，因为拷贝，两个进程的地址空间是一样的，数据完全一样，在代码段.text中，父子进程都有一个fork，所以都有一个返回值，父进程就返回子进程的一个id，子进程就返回0，所以就有了两个返回值。

上图所示，父进程中fork之后，其实就拷贝了拥有相同代码的子进程（右边），但是是在父进程中fork的所以pid得到的是子进程的id,而在子进程中，由于没有fork，所以返回的pid是0，以此区分子进程和父进程。也就是返回值是由不同的进程return出来的，拷贝之后就有两个return了。
问题：
Q1:fork函数的返回值 A1：两个，pid>0 父进程的返回值，pid == 0, 子进程的返回值
Q2：子进程创建成功后，代码的执行位置？
A2：正如上面所示，子进程从非灰色部分开始执行，而父进程从头到尾执行。父进程执行到了那，子进程就从那开始执行。
Q3:父子进程的执行顺序？
A3：不一定，谁抢到CPU，谁执行。
Q4:如何区分父子进程？
A4：通过fork的返回值。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string.h>
int main(int argc,const char* argv[])
{pid_t pid;for(int i=0;i<4;i++){printf("---------------i=%d\n",i);}pid = fork();if(pid >0){printf("parent process,pid=%d\n",getpid());}else if(pid ==0){printf("child  process,pid=%d\n",getpid());}for(int i=0;i<4;i++){printf("---------------i=%d\n",i);}return 0;
}

有上面实验的结果可知，子进程中是从fork下面的开始开始执行的。所以子进程虽然有代码段，但是不会执行。让父进程睡一会（父进程结束的太快了，已经结束了，使得子进程将init进程作为父进程了）

出现上面的原因：

2、ps和kill命令

Q：如何获取当前进程的id？
A：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string.h>
int main(int argc, const char* argv[])
{
while(1)
{
printf(“hello,world\n”);
sleep(1);
}
return 0;
}
`

TTY :就是终端，au显示依赖终端的选项。
Q：终端对于进程来说有什么用呢？
A：没有终端就看不到输出，所以依赖终端的进程是需要和用户交互的。

|：表示管道。

kill:发信号给某个进程

只需学1-31个信号即可。
杀死某个进程：kill -9 （仅为9号信号为SIGKILL表示杀死信号）

3、进程间数据共享
关于fork，刚fork之后，两个地址空间用户区数据完全相同，后续各自都做了各自不同的操作，各个进程的地址空间中的数据是完全独立的，如下图所示，n=24子、父一样的，在子父进程各自对n进行操作时，是互不影响的，一个++，一个–；扩展：研究这个n = 24，但对于这个n只是进行读操作时，那么在物理内存中n是一份，也就是子父进程只是读这个n，而不改变，这样可以节省内存，也就是读时共享n；但是在进行读写操作时，因为可以子父进程可以修改它，为了子父进程互不影响，子进程就拷贝一份，也就是不是共享的。



上图所示，在父或子进程对变量进行写操作时，都会在物理内存开辟一块内存保存修改的值，而且父子变量内存不共享。
Q：父、子进程之间，是否可以通过一个全局变量进行通信？
A：不能，因为根据上面的原理，写复制，父子各自的变量物理内存不一样，所以内存不能共享。
小结：读时共享，写时复制
扩展：需要实现共享就牵涉到进程间的通信。
4、exec函数族
（1）作用
①让父子进程执行不相干的操作
②父子进程代码段一样的，而exec函数组可以替换父子空间的源代码，也就是.text段

注意：替代.text中代码的是可执行文件源代码，因为是进程，所以需要是可执行的程序。其中的ls是一个例子，它是shell中的一个可执行文件，所以当替换只有，进程就相当于执行命令ls了。鸠占鹊巢的感觉。
（2）使用
例子：


“who can arrive here”，只执行了一次，并且是在父进程3047中，而子进程3048执行的程序是ls，所以得出结论，当子进程使用execl()时，子进程中的.text中的源代码全部被execl程序中的代码所替换，也就不能执行if(pid==0)外的内容了。



5、进程回收
（1）孤儿进程
①爹生孩子
②爹先死，孩子还活着，孩子就叫做孤儿进程
③孤儿被init进程领养，init进程变为孤儿进程的父亲。（这就是为什么写程序会出现子进程的父进程变为1，也就是原来的父进程执行的太快了，以至于原来父进程结束了，而子进程还没执行完，就成孤儿了。）
④为了释放子进程占用的系统资源
进程结束之后，能够释放用户区空间；释放不了PCB，必须由父进程释放（key）。

这里就出现了孤儿进程被ppid=1的进程领养了。
（2）僵尸进程
①孩子死了，爹还活着，爹不去释放子进程的pcb,孩子就变成 了僵尸进程。（因为只能由父进程释放）
②不是活着的进程



z：表示zonbie僵尸的意思，defunct表示a.out进程为僵尸进程。
如何杀死僵尸进程呢？通过杀死他爹的进程就行了，也就是3516,直接杀死僵尸进程是不能消除的，相当于鞭尸。


（3）进程回收
①wait-阻塞函数（与socket差不多，也就是一直阻塞在哪，等待消息）
pid_t wait(int * status);


作用：因为子进程需要父进程进行回收，而且在并发运行的时候，父子进程的执行顺序是不一定的，所以需要wait函数去使得父进程等待子进程结束，然后回收，最后父进程结束，造成有顺序的执行。


如上died child pid是最后执行的，表明父进程是在子进程执行完，回收它之后执行完的。
②


这里最后的返回值为9，表明父进程一直执行到最后，所以返回了9，也就是 正常退出
当子进程一直循环不退出时，父进程将一直等待：

有两个进程在运行，kill -9 4051 。通过信号杀死子进程，预期不会返回12，会返回9

终止了。
小结：
父进程结束的比子进程早，则会造成子进程成为孤儿进程；
父进程结束的比子进程晚，并且父进程一直不退出，则会造成子进程成为僵尸进程；（所以消灭僵尸进程是通过kill父进程达到目的）
解决方法：通过父进程中调用wait函数。