[TOC] # 并行和并發 **并行(parallel)：** 指在同一時刻，有多條指令在多個處理器上同時執行。 **并發(concurrency)：** 指在同一時刻只能有一條指令執行，但多個進程指令被快速的輪換執行，使得在宏觀上具有多個進程同時執行的效果，但在微觀上并不是同時執行的，只是把時間分成若干段，使多個進程快速交替的執行。 # MMU MMU是Memory Management Unit的縮寫，中文名是[內存管理](https://baike.baidu.com/item/%E5%86%85%E5%AD%98%E7%AE%A1%E7%90%86)單元，它是[中央處理器](https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%AD%E5%A4%AE%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8)（CPU）中用來管理[虛擬存儲器](https://baike.baidu.com/item/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8)、物理存儲器的控制線路，同時也負責[虛擬地址](https://baike.baidu.com/item/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%9C%B0%E5%9D%80)映射為[物理地址](https://baike.baidu.com/item/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%9C%B0%E5%9D%80)，以及提供硬件機制的內存訪問授權，多用戶多進程操作系統。  # 進程控制塊PCB 進程運行時，內核為進程每個進程分配一個PCB（進程控制塊），維護進程相關的信息，Linux內核的進程控制塊是task\_struct結構體。 在 /usr/src/linux-headers-xxx/include/linux/sched.h 文件中可以查看struct task\_struct 結構體定義： > $ cat /usr/src/linux-headers-4.10.0-28/include/linux/sched.h  其內部成員有很多，我們掌握以下部分即可： * 進程id。系統中每個進程有唯一的id，在C語言中用pid\_t類型表示，其實就是一個非負整數。 * 進程的狀態，有就緒、運行、掛起、停止等狀態。 * 進程切換時需要保存和恢復的一些CPU寄存器。 * 描述虛擬地址空間的信息。 * 描述控制終端的信息。 * 當前工作目錄（Current Working Directory）。 * umask掩碼。 * 文件描述符表，包含很多指向file結構體的指針。 * 和信號相關的信息。 * 用戶id和組id。 * 會話（Session）和進程組。 * 進程可以使用的資源上限（Resource Limit） # 進程狀態 進程狀態反映進程執行過程的變化。這些狀態隨著進程的執行和外界條件的變化而轉換。 在三態模型中，進程狀態分為三個基本狀態，即**運行態，就緒態，阻塞態**。 在五態模型中，進程分為**新建態、終止態，運行態，就緒態，阻塞態**。  **①TASK\_RUNNING：** 進程正在被CPU執行。當一個進程剛被創建時會處于TASK\_RUNNABLE，表示己經準備就緒，正等待被調度。 **②TASK\_INTERRUPTIBLE（可中斷）：**進程正在睡眠（也就是說它被阻塞）等待某些條件的達成。一旦這些條件達成，內核就會把進程狀態設置為運行。處于**此狀態的進程也會因為接收到信號而提前被喚醒**，**比如給一個TASK\_INTERRUPTIBLE狀態的進程發送SIGKILL信號，這個進程將先被喚醒（進入TASK\_RUNNABLE狀態），然后再響應SIGKILL信號而退出**（變為TASK\_ZOMBIE狀態），并不會從TASK\_INTERRUPTIBLE狀態直接退出。 **③TASK\_UNINTERRUPTIBLE（不可中斷）：** 處于等待中的進程，待資源滿足時被喚醒，**但不可以由其它進程通過信號或中斷喚醒**。由于不接受外來的任何信號，**因此無法用kill殺掉這些處于該狀態的進程**。而**TASK\_UNINTERRUPTIBLE狀態存在的意義就在于**，**內核的某些處理流程是不能被打斷的**。如果響應異步信號，程序的執行流程中就會被插入一段用于處理異步信號的流程，于是原有的流程就被中斷了，這可能使某些設備陷入不可控的狀態。處于TASK\_UNINTERRUPTIBLE狀態一般總是非常短暫的，通過ps命令基本上不可能捕捉到。 **④TASK\_ZOMBIE（僵死）：** 表示進程已經結束了，**但是其父進程還沒有調用wait4或waitpid()來釋放進程描述符**。為了父進程能夠獲知它的消息，子進程的進程描述符仍然被保留著。一旦父進程調用了wait4()，進程描述符就會被釋放。 **⑤TASK\_STOPPED（停止）：** 進程停止執行。當進程接收到SIGSTOP，SIGTSTP，SIGTTIN，SIGTTOU等信號的時候。此外，**在調試期間接收到任何信號**，都會使進程進入這種狀態。**當接收到SIGCONT信號，會重新回到TASK\_RUNNABLE**。 如何查看進程狀態：  stat中的參數意義如下： | **參數** | **含義** | | --- | --- | | D | 不可中斷 Uninterruptible（usually IO） | | R | 正在運行，或在隊列中的進程 | | S(大寫) | 處于休眠狀態 | | T | 停止或被追蹤 | | Z | 僵尸進程 | | W | 進入內存交換（從內核2.6開始無效） | | X | 死掉的進程 | | < | 高優先級 | | N | 低優先級 | | s | 包含子進程 | | + | 位于前臺的進程組 | # 進程號和相關函數 每個進程都由一個進程號來標識，其類型為 pid\_t（整型），進程號的范圍：0～32767。進程號總是唯一的，但進程號可以重用。當一個進程終止后，其進程號就可以再次使用。 接下來，再給大家介紹三個不同的進程號。 **進程號（PID）**： 標識進程的一個非負整型數。 **父進程號（PPID）**： 任何進程（ 除 init 進程）都是由另一個進程創建，該進程稱為被創建進程的父進程，對應的進程號稱為父進程號（PPID）。如，A 進程創建了 B 進程，A 的進程號就是 B 進程的父進程號。 **進程組號（PGID）**： 進程組是一個或多個進程的集合。他們之間相互關聯，進程組可以接收同一終端的各種信號，關聯的進程有一個進程組號（PGID） 。這個過程有點類似于 QQ 群，組相當于 QQ 群，各個進程相當于各個好友，把各個好友都拉入這個 QQ 群里，主要是方便管理，特別是通知某些事時，只要在群里吼一聲，所有人都收到，簡單粗暴。但是，這個進程組號和 QQ 群號是有點區別的，默認的情況下，當前的進程號會當做當前的進程組號。 **getpid函數** ~~~ #include <sys/types.h> #include <unistd.h> ? pid_t getpid(void); 功能： 獲取本進程號（PID） 參數： 無 返回值： 本進程號 ~~~ **getppid函數** ~~~ #include <sys/types.h> #include <unistd.h> ? pid_t getppid(void); 功能： 獲取調用此函數的進程的父進程號（PPID） 參數： 無 返回值： 調用此函數的進程的父進程號（PPID） ~~~ **getpgid函數** ~~~ #include <sys/types.h> #include <unistd.h> ? pid_t getpgid(pid_t pid); 功能： 獲取進程組號（PGID） 參數： pid：進程號 返回值： 參數為 0 時返回當前進程組號，否則返回參數指定的進程的進程組號 ~~~ 示例程序: ~~~ int main() { 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; } ~~~ # 進程創建 系統允許一個進程創建新進程，新進程即為子進程，子進程還可以創建新的子進程，形成進程樹結構模型。 ~~~ #include <sys/types.h> #include <unistd.h> ? pid_t fork(void); 功能： 用于從一個已存在的進程中創建一個新進程，新進程稱為子進程，原進程稱為父進程。 參數： 無 返回值： 成功：子進程中返回 0，父進程中返回子進程 ID。pid_t，為整型。 失敗：返回-1。 失敗的兩個主要原因是： 1）當前的進程數已經達到了系統規定的上限，這時 errno 的值被設置為 EAGAIN。 2）系統內存不足，這時 errno 的值被設置為 ENOMEM。 ~~~ 示例代碼 ~~~ int main() { fork(); printf("id ==== %d\n", getpid()); // 獲取進程號 ? return 0; } ~~~ 從運行結果，我們可以看出，fork() 之后的打印函數打印了兩次，而且打印了兩個進程號，這說明，fork() 之后確實創建了一個新的進程，新進程為子進程，原來的進程為父進程。 ## 區分父子進程 子進程是父進程的一個復制品，可以簡單認為父子進程的代碼一樣的。那大家想過沒有，這樣的話，父進程做了什么事情，子進程也做什么事情（如上面的例子），是不是不能實現滿足我們實現多任務的要求呀，那我們是不是要想個辦法區別父子進程呀，這就通過 fork() 的返回值。 fork() 函數被調用一次，但返回兩次。兩次返回的區別是：子進程的返回值是 0，而父進程的返回值則是新子進程的進程 ID ~~~ int main() { pid_t pid; pid = fork(); if (pid < 0) { // 沒有創建成功 perror("fork"); return 0; } ? if (0 == pid) { // 子進程 while (1) { printf("I am son\n"); sleep(1); } } else if (pid > 0) { // 父進程 while (1) { printf("I am father\n"); sleep(1); } } ? return 0; } ~~~ 通過運行結果，可以看到，父子進程各做一件事（各自打印一句話）。這里，我們只是看到只有一份代碼，實際上，fork() 以后，有兩個地址空間在獨立運行著，有點類似于有兩個獨立的程序（父子進程）在運行著。 一般來說，在 fork() 之后是父進程先執行還是子進程先執行是不確定的。這取決于內核所使用的調度算法。 需要注意的是，在子進程的地址空間里，子進程是從 fork() 這個函數后才開始執行代碼  ## 父子進程地址空間 ~~~ int a = 10; // 全局變量 ? int main() { int b = 20; //局部變量 pid_t pid; pid = fork(); if (pid < 0) { // 沒有創建成功 perror("fork"); } ? if (0 == pid) { // 子進程 a = 111; b = 222; // 子進程修改其值 printf("son: a = %d, b = %d\n", a, b); } else if (pid > 0) { // 父進程 sleep(1); // 保證子進程先運行 printf("father: a = %d, b = %d\n", a, b); } ? return 0; } ~~~ 通過得知，在子進程修改變量 a，b 的值，并不影響到父進程 a，b 的值。 # GDB調試多進程 ~~~ gcc -9 源碼 ~~~ 使用gdb調試的時候，gdb只能跟蹤一個進程。可以在fork函數調用之前，通過指令設置gdb調試工具跟蹤父進程或者是跟蹤子進程。默認跟蹤父進程。 * set follow-fork-mode child 設置gdb在fork之后跟蹤子進程。 * set follow-fork-mode parent 設置跟蹤父進程（默認）。 注意，一定要在gdb中的fork函數調用之前設置才有效。 # 進程退出函數 ~~~ #include <stdlib.h> void exit(int status); ? #include <unistd.h> void _exit(int status); 功能： 結束調用此函數的進程。 參數： status：返回給父進程的參數（低 8 位有效），至于這個參數是多少根據需要來填寫。 返回值： 無 ~~~ 用法是一樣的，無非時所包含的頭文件不一樣，還有的區別就是：exit()屬于標準庫函數，`_exit()`屬于系統調用函數。  # 等待子進程退出函數 在每個進程退出的時候，內核釋放該進程所有的資源、包括打開的文件、占用的內存等。但是仍然為其保留一定的信息，這些信息主要主要指進程控制塊PCB的信息（包括進程號、退出狀態、運行時間等）。 父進程可以通過調用wait或waitpid得到它的退出狀態同時徹底清除掉這個進程。 wait() 和 waitpid() 函數的功能一樣，區別在于，wait() 函數會阻塞，waitpid() 可以設置不阻塞，waitpid() 還可以指定等待哪個子進程結束。 注意：一次wait或waitpid調用只能清理一個子進程，清理多個子進程應使用循環。 ## wait函數 ~~~ #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> ? pid_t wait(int *status); 功能： 等待任意一個子進程結束，如果任意一個子進程結束了，此函數會回收該子進程的資源。 參數： status : 進程退出時的狀態信息。 返回值： 成功：已經結束子進程的進程號 失敗： -1 ~~~ 調用 wait() 函數的進程會掛起（阻塞），直到它的一個子進程退出或收到一個不能被忽視的信號時才被喚醒（相當于繼續往下執行）。 若調用進程沒有子進程，該函數立即返回；若它的子進程已經結束，該函數同樣會立即返回，并且會回收那個早已結束進程的資源。 所以，wait()函數的主要功能為回收已經結束子進程的資源。 如果參數 status 的值不是 NULL，wait() 就會把子進程退出時的狀態取出并存入其中，這是一個整數值（int），指出了子進程是正常退出還是被非正常結束的。 這個退出信息在一個 int 中包含了多個字段，直接使用這個值是沒有意義的，我們需要用宏定義取出其中的每個字段。 **宏函數可分為如下三組：** 1) WIFEXITED(status) 為非0 → 進程正常結束 WEXITSTATUS(status) 如上宏為真，使用此宏 → 獲取進程退出狀態 (exit的參數) 2) WIFSIGNALED(status) 為非0 → 進程異常終止 WTERMSIG(status) 如上宏為真，使用此宏 → 取得使進程終止的那個信號的編號。 3) WIFSTOPPED(status) 為非0 → 進程處于暫停狀態 WSTOPSIG(status) 如上宏為真，使用此宏 → 取得使進程暫停的那個信號的編號。 WIFCONTINUED(status) 為真 → 進程暫停后已經繼續運行 ## waitpid函數 ~~~ #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> ? pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); 功能： 等待子進程終止，如果子進程終止了，此函數會回收子進程的資源。 ? 參數： pid : 參數 pid 的值有以下幾種類型： pid > 0 等待進程 ID 等于 pid 的子進程。 pid = 0 等待同一個進程組中的任何子進程，如果子進程已經加入了別的進程組，waitpid 不會等待它。 pid = -1 等待任一子進程，此時 waitpid 和 wait 作用一樣。 pid < -1 等待指定進程組中的任何子進程，這個進程組的 ID 等于 pid 的絕對值。 ? status : 進程退出時的狀態信息。和 wait() 用法一樣。 ? options : options 提供了一些額外的選項來控制 waitpid()。 0：同 wait()，阻塞父進程，等待子進程退出。 WNOHANG：沒有任何已經結束的子進程，則立即返回。 WUNTRACED：如果子進程暫停了則此函數馬上返回，并且不予以理會子進程的結束狀態。（由于涉及到一些跟蹤調試方面的知識，加之極少用到） 返回值： waitpid() 的返回值比 wait() 稍微復雜一些，一共有 3 種情況： 1) 當正常返回的時候，waitpid() 返回收集到的已經回收子進程的進程號； 2) 如果設置了選項 WNOHANG，而調用中 waitpid() 發現沒有已退出的子進程可等待，則返回 0； 3) 如果調用中出錯，則返回-1，這時 errno 會被設置成相應的值以指示錯誤所在，如：當 pid 所對應的子進程不存在，或此進程存在，但不是調用進程的子進程，waitpid() 就會出錯返回，這時 errno 被設置為 ECHILD； ~~~ # 孤兒和僵尸進程 **孤兒進程** 父進程運行結束，但子進程還在運行（未運行結束）的子進程就稱為孤兒進程（Orphan Process）。 每當出現一個孤兒進程的時候，內核就把孤兒進程的父進程設置為 init ，而 init 進程會循環地 wait() 它的已經退出的子進程。這樣，當一個孤兒進程凄涼地結束了其生命周期的時候，init 進程就會代表黨和政府出面處理它的一切善后工作。 因此孤兒進程并不會有什么危害。 **僵尸進程** 進程終止，父進程尚未回收，子進程殘留資源（PCB）存放于內核中，變成僵尸（Zombie）進程。 這樣就會導致一個問題，如果進程不調用wait() 或 waitpid() 的話， 那么保留的那段信息就不會釋放，其進程號就會一直被占用，但是系統所能使用的進程號是有限的，如果大量的產生僵尸進程，將因為沒有可用的進程號而導致系統不能產生新的進程，此即為僵尸進程的危害，應當避免。 # 進程替換 可以通過 ./ 運行，讓一個可執行程序成為一個進程。 但是，如果我們本來就運行著一個程序（進程），我們如何在這個進程內部啟動一個外部程序，由內核將這個外部程序讀入內存，使其執行起來成為一個進程呢？這里我們通過 exec 函數族實現。 exec 函數族，顧名思義，就是一簇函數，在 Linux 中，并不存在 exec() 函數，exec 指的是一組函數，一共有 6 個： ~~~ #include <unistd.h> extern char **environ; ? int execl(const char *path, const char *arg, .../* (char *) NULL */); int execlp(const char *file, const char *arg, ... /* (char *) NULL */); int execle(const char *path, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char * const envp[] */); int execv(const char *path, char *const argv[]); int execvp(const char *file, char *const argv[]); int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]); ? int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]); ~~~ 其中只有 execve() 是真正意義上的系統調用，其它都是在此基礎上經過包裝的庫函數。 exec 函數族的作用是根據指定的文件名或目錄名找到可執行文件，并用它來取代調用進程的內容，換句話說，就是在調用進程內部執行一個可執行文件。 進程調用一種 exec 函數時，該進程完全由新程序替換，而新程序則從其 main 函數開始執行。因為調用 exec 并不創建新進程，所以前后的進程 ID （當然還有父進程號、進程組號、當前工作目錄……）并未改變。exec 只是用另一個新程序替換了當前進程的正文、數據、堆和棧段（進程替換）。  **exec 函數族使用說明** exec 函數族的 6 個函數看起來似乎很復雜，但實際上無論是作用還是用法都非常相似，只有很微小的差別。  補充說明： | l(list) | 參數地址列表，以空指針結尾 | | --- | --- | | v(vector) | 存有各參數地址的指針數組的地址 | | p(path) | 按 PATH 環境變量指定的目錄搜索可執行文件 | | e(environment) | 存有環境變量字符串地址的指針數組的地址 | exec 函數族與一般的函數不同，exec 函數族中的函數執行成功后不會返回， **而且，exec 函數族下面的代碼執行不到**。 只有調用失敗了，它們才會返回 -1，失敗后從原程序的調用點接著往下執行