嵌入式培训之系统编程（四）进程

一、进程的基本概念

（一）定义

         进程是一个程序执行的过程（也可以说是正在运行的程序），会去分配内存资

源，cpu的调度，它是并发的

（二）PCB块

1、PCB是一个结构体（对应的结构体为task_struct），全名是process control block

（进程控制块）/print circuit board；

2、一个程序运行就有对应的一块pcb块，它记录着运行程序的所有信息和状态

3、pcb中包含着：

PID—进程标识符（区分进程用的是ID号）
chdir—当前工作路径
umask 0002--合适的权限
fds—进程打开的文件列表
signal—信号相关设置 处理异步io：
用户id，组id：记录谁运行的，与权限有关
进程资源的上限（ulimit -a，显示资源上限）；

（三）进程和程序的区别

1、程序是静态的，存储在硬盘中代码，数据的集合；

2、进程是动态，程序执行的过程,包括进程的创建、调度、消亡；

        .c ----> a.out-----> process(pid)

3、（1）程序是永存，进程是暂时的

      （2）进程有程序状态的变化，程序没有

      （3）进程可以并发，程序无并发

      （4）进程与进程会存在竞争计算机的资源

      （5）一个程序可以运行多次，变成多个进程；一个进程可以运行一个或多个程序

（四）内存空间

1、内存空间示意图：

2、其中内存分布图（重点）：虚拟内存/虚拟地址

（1）code（代码段）：只读特性

（2）data（数据段）：可读可写；装全局变量、静态变量（带初值）（bss：未初

                                        始化变量）

（3）heap（堆区）：可读可写；动态内存空间，程序员使用malloc申请

（4）Map/share（映射/共享区）：只读；外部代码共享过来

（5）Stack 8M（栈）：可读可写；最大不超过8M

3、虚拟地址空间共4G：0~ 3G,是进程的空间，3G~4G是内核的空间

4、虚拟内存/地址 ：透明、隔离、权限

5、映射表

（1）映射表将虚拟内存的地址转换为物理内存的地址；

（2）映射表通常由页表（Page Table）组成，它记录了虚拟地址到物理地址的映射关

        系；

（3）一个页面大小通常为4k（4036字节）；

注：MMU：物理地址转为内存地址。

（五）进程的状态

1、基本操作系统三个操作状态：就绪→执行态→阻塞（等待，睡眠）；

     就绪状态：进程已经准备好执行，所有的资源都已分配，只等待CPU时间执行

2、linux中的状态：运行态，睡眠态，僵尸，暂停态；

  Linux进程状态及转换关系：

（六）进程的分类

1、交互式进程

2、批处理进程 （shell脚本）（批量执行一次命令）

3、 守护进程（程序走起来不需要输入，eg：杀毒类软件、启动输入法）

（七）进程的作用

1、并发性：允许多个进程同时运行，提高了CPU利用率和系统响应速度；

2、稳定性：如果一个进程发生错误，通常不会影响到其他进程，这提高了系统的稳定

                    性；

（八）进程的调度

1、调度器通过调度策略来决定哪个进程先运行；

2、内核主要功能之一就是完成进程调度, 硬件，bios，io，文件系统，驱动；

3、调度算法：other（常规默认的），idle，rr，fifo

                        先来先服务   短任务优先   优先级    时间片轮转

4、扩展

（1）分时操作系统：Linux、Windows（尽量在规定时间内完成）

（2）实时操作系统：rt_thread ucos（规定时间内必须完成）

5、进程上下文切换：就是值指调度器要切换CPU给另一个进程的时候，要保存当前进

      程的状态，然后加载打开一个新的进程这样的一个过程。

6、宏观并行：在一个时间段多个任务和进程是同时进行的

7、微观串行：在一个时间点只能一条一条指令执行

二、进程相关命令

1、ps aux

 主要看进程号、进程状态

查看进程相关信息：（PROCESS STATE CODES）
（1）就绪态、运行态 —— R
（2）睡眠态、等待态
        可唤醒等待态 ——S
        不可唤醒等待态 ——D
（3）停止态 ——T
（4）僵尸态 ——Z

（5）结束态

2、top

根据CPU占用率查看进程相关信息（3秒刷一下）
PR NI 表示优先级
数字越小代表优先级越高

3、kill和killall

    发送一个信号

kill -2 PID 15

（其中PID为接受者，终端为发送者）
发送信号+PID对应的进程，默认接收者关闭

killall -9 进程名（强制关闭）
发送信号 进程名对应的所有进程
killall a.out

三、进程相关函数

（一）fork函数

1、函数原型：pid_t fork()；

2、特点：

（1）一次调用，会返回两次；

（2）子进程先运行和是父进程先进程，顺序不确定；

（3）变量不共享（虚拟隔离机制）；

（4）子进程复制父进程的0到3g空间和父进程内核中的PCB，但id号不同（子的id比父大）。

3、功能：

（1）通过该函数可以从当前进程中克隆一个同名新进程；

（2）克隆的进程称为子进程，原有的进程称为 父进程；

（3）子进程是父进程的完全拷贝；

（4）子进程的执行过程是从fork函数之后执行；

（5）子进程与父进程具有相同的代码逻辑。

4、返回值：int 类型的数字；

（1）在父进程中：成功 返回值是子进程的pid号 >0 

                               失败 返回-1；

（2）在子进程中：成功 返回值 0

                               失败 无

面试问题：

1、一次fork生成几个进程？他们之间的关系是什么样的？

       答： 一次fork生成两个进程，父子关系。

2、如果两次fork同时前后执行，会生成几个进程？他们之间的关系如何表示，有多少个子进程，有没有孙进程？
       答：会生成三个进程，父进程，子进程和孙进程。

5、注：左边是父进程，右边为子进程（代码段完全一样，起始地方不同）

6、运行代码示例：

（二）getpid函数

1、函数原型：pid_t getpid(void);

2、功能：获得调用该函数进程的pid

3、参数：缺省

4、返回值：进程的pid

（三）getppid函数

1、函数原型：pid_t getppid(void);

2、功能：获得调用该函数进程的父进程pid号

3、参数：缺省

4、返回值：返回父进程id号

（四）示例

1、代码：

2、运行结果：

注：子进程与父进程谁先消亡是随机的，谁跑得快谁先消亡

（1）子进程先消亡：

（2）父进程先消亡：

3、应用场合：

（1）一个进程希望复制自己，使父子进程同时执行同的代码段。网络服务中会比较多

         见。

（2）一个进程需要执行一个不同的程序。fork+exec

4、扩展命令：

（1）ps aux | grep xxx（xxx为pid号）查找pid号在哪

（2）pstree  显示进程树状关系图

         petree -p 显示pid号的树状图

（五）父子进程的关系

1、子进程是父进程的副本，子进程获得父进程数据段，堆、栈正文段共享；

2、区别：

（1）fork的返回值 父的是大于0，子是等于0；

（2）pid不同 子相对于父至少要加个1；

（六）写时复制

1、定义：写时复制是计算机编程里的一种优化策略。它的核心思想在于，进行数据修

改操作时，并非马上复制整个数据对象，而是要等到真正需要修改数据的那个时刻才执

行复制操作。这样做能够避免不必要的数据复制，进而提升系统性能，提高资源利用

率。

2、优点：提高效率、创建子进程速度快、开的空间少、回收速度快。

四、进程的终止（8种情况）

1、主动退出

（1）main 中 return

（2）exit()， c库函数，会执行io库的清理工作，关闭所有的流，以及所有打开的文

        件。已经清理函数（atexit)；（函数一调，进程结束，再退之前释放该释放的资

        源）

（3）_exit,_Exit 会关闭所有的已经打开的文件，不执行清理函数。（单调函数，进程

        结束，但清理的相对较少）

（4） 主线程退出

（5）主线程调用pthread_exit

2、异常终止

（6）abort()，该函数禁止应用层调用，发生严重错误系统调用；

（7）signal   kill pid   有权限的发送信号（内存访问错误则发送信号结束）

（8）最后一个线程被pthread_cancle（线程属于进程的一部分，进程里面无线程会退

        出）