Linux进程管理与进程间通信
一、进程基础知识
1. 进程的定义与特性
**定义**：进程是程序的一次执行过程，是系统资源分配的基本单位
**特性**：
- 动态性：进程是程序的动态执行过程
- 并发性：多个进程可以并发执行
- 独立性：进程拥有独立的地址空间
- 异步性：进程以不可预知的速度向前推进
- 结构性：进程由程序段、数据段和进程控制块(PCB)组成
2. 进程控制块(PCB)
PCB是操作系统管理进程的数据结构，包含：
- 进程标识符(PID)
- 进程状态
- 程序计数器
- CPU寄存器
- CPU调度信息
- 内存管理信息
- 记账信息
- I/O状态信息
二、进程状态与转换
1. 五状态模型
- **创建态(New)**：进程正在被创建
- **就绪态(Ready)**：进程等待被调度
- **运行态(Running)**：进程正在CPU上执行
- **阻塞态(Blocked/Waiting)**：进程等待某事件发生
- **终止态(Terminated)**：进程执行完毕
2. 状态转换触发条件
- **创建→就绪**：进程创建完成，系统资源充足
- **就绪→运行**：调度器选中该进程
- **运行→就绪**：时间片用完或高优先级进程抢占
- **运行→阻塞**：进程请求资源或等待事件
- **阻塞→就绪**：资源可用或等待事件发生
- **运行→终止**：进程正常或异常结束
三、进程控制
1. 进程创建
fork()系统调用
pid_t pid = fork();
- 特点：
- 一次调用，两次返回
- 父进程返回子进程PID，子进程返回0
- 子进程复制父进程的数据空间、堆和栈
- 共享代码段
- 子进程继承父进程的文件描述符、信号处理方式等
exec族系统调用
用于在进程中执行新程序：
- `execl()`、`execlp()`、`execle()`
- `execv()`、`execvp()`、`execve()`
2. 进程终止
- **正常终止**：
- `exit()`函数
- `return`语句（从main函数）
- **异常终止**：
- 接收到未处理的信号
- 段错误或总线错误
3. 进程等待
- **wait()系统调用**：阻塞等待任一子进程结束
- **waitpid()系统调用**：可以等待特定子进程，支持非阻塞模式
4. 特殊进程
- **孤儿进程**：父进程先于子进程结束，子进程被init进程(PID=1)收养
- **僵尸进程**：子进程结束但父进程未调用wait/waitpid回收，占用系统资源
- **守护进程**：在后台运行且不受终端控制的进程，通常以'd'结尾(如httpd)
四、进程调度
1. 调度算法
- **先来先服务(FCFS)**：按进程到达顺序调度
- **最短作业优先(SJF)**：选择执行时间最短的进程
- **优先级调度**：按优先级高低调度
- **时间片轮转(RR)**：每个进程分配一个时间片
- **多级反馈队列**：结合多种调度算法的优点
2. Linux调度器
- **O(1)调度器**：常数时间复杂度
- **完全公平调度器(CFS)**：基于红黑树实现，保证进程公平分配CPU时间
五、进程间通信(IPC)
1. 管道(Pipe)
- **无名管道**：
- 半双工通信
- 只能用于有亲缘关系进程
- 使用`pipe()`系统调用创建
int fd[2];
pipe(fd); // fd[0]用于读，fd[1]用于写- **命名管道(FIFO)**：
- 可用于无亲缘关系进程
- 在文件系统中有路径名
- 使用`mkfifo()`创建
mkfifo("/tmp/myfifo", 0666);2. 信号(Signal)
- 软中断机制，用于通知进程发生了异步事件
- 常用信号：
- SIGINT (Ctrl+C)
- SIGKILL (无法捕获或忽略)
- SIGSEGV (段错误)
- SIGCHLD (子进程状态改变)
- 信号处理：
- 忽略
- 捕获并处理
- 执行默认操作
3. 消息队列
- 消息的链表，存放在内核中
- 每个消息有特定的类型
- 相关函数：
- `msgget()`：创建或访问消息队列
- `msgsnd()`：发送消息
- `msgrcv()`：接收消息
- `msgctl()`：控制消息队列
4. 共享内存
- 最快的IPC方式
- 多个进程映射同一块物理内存到各自的地址空间
- 相关函数：
- `shmget()`：创建或访问共享内存
- `shmat()`：附加共享内存到进程地址空间
- `shmdt()`：分离共享内存
- `shmctl()`：控制共享内存
5. 信号量(Semaphore)
- 用于进程间同步和互斥
- 解决共享资源访问冲突
- 相关函数：
- `semget()`：创建或访问信号量集
- `semop()`：信号量操作(P/V操作)
- `semctl()`：控制信号量
6. 套接字(Socket)
- 可用于同一主机或不同主机间的进程通信
- 支持多种协议(TCP/UDP等)
- 相关函数：
- `socket()`：创建套接字
- `bind()`：绑定地址
- `listen()`：监听连接
- `accept()`：接受连接
- `connect()`：建立连接
- `send()/recv()`：发送/接收数据
六、线程
1. 线程与进程的区别
- 线程是CPU调度的基本单位
- 同一进程的线程共享代码段、数据段和文件资源
- 每个线程有独立的栈空间和寄存器环境
2. POSIX线程(pthread)
- 创建线程：`pthread_create()`
- 终止线程：`pthread_exit()`
- 等待线程：`pthread_join()`
- 线程同步：
- 互斥锁：`pthread_mutex_t`
- 条件变量：`pthread_cond_t`
- 读写锁：`pthread_rwlock_t`
- 自旋锁：`pthread_spinlock_t`
七、实际应用示例
1. 使用fork创建子进程
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main() {
pid_t pid;
printf("进程=%d\n", getpid());
pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork失败");
exit(1);
} else if (pid == 0) {
// 子进程执行代码
printf("子进程：我是子进程，我的PID是=%d\n", getpid());
printf("子进程：我的父进程的PID是=%d\n", getppid());
exit(0);
} else {
// 父进程执行代码
printf("父进程：我是父进程，我的PID是=%d\n", getpid());
printf("父进程：我的子进程的PID是=%d\n", pid);
// 等待子进程结束
wait(NULL);
}
return 0;
}
2. 使用管道进行进程间通信
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int fd[2];
pid_t pid;
char buffer[100];
// 创建管道
if (pipe(fd) == -1) {
perror("pipe");
exit(1);
}
pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork");
exit(1);
} else if (pid == 0) { // 子进程
close(fd[1]); // 关闭写端
read(fd[0], buffer, sizeof(buffer));
printf("子进程收到消息: %s\n", buffer);
close(fd[0]);
exit(0);
} else { // 父进程
close(fd[0]); // 关闭读端
strcpy(buffer, "Hello from parent!");
write(fd[1], buffer, strlen(buffer) + 1);
close(fd[1]);
wait(NULL); // 等待子进程结束
}
return 0;
}
八、Linux系统调用与库函数
常用系统调用
- `fork()`：创建子进程
- `exec()`：执行新程序
- `wait()/waitpid()`：等待子进程
- `exit()`：终止进程
- `kill()`：发送信号
- `alarm()`：设置定时器
- `sleep()`：进程休眠
- `pause()`：挂起进程直到收到信号
进程信息查看命令
- `ps`：显示进程状态
- `top`：动态显示进程信息
- `pstree`：以树状显示进程
- `kill`：发送信号给进程
- `nice/renice`：调整进程优先级