【操作系统】1.进程process

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介绍

什么是进程：简单来说就是一个正在运行中的程序 进程是程序的一次执行，包括代码和数据，是CPU分配资源的基本单位，一个进程可以包括多个线程。

进程之间通信方式：管道、SOCKET、信号量（互斥、同步）等。

子进程是父进程的复制品。子进程获得父进程数据空间、堆和栈的复制品。

线程是独立运行和独立调度的基本单位（线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，能更 高效的提高系统内多个程序间并发执行的程度），线程之间共享进程的数据空间（借此通信）

进程接口

操作系统提供一些 API 给进程调用，例如 create 创建, destroy 销毁, wait 等, suspend 暂停, status 状态等。

1.fork()

fork函数复制了当前进程，生成子进程，子进程与父进程不完全相同，子进程有自己的资源，例如：address space (private memory), registers, PC。

子进程不会从 main 函数开始运行，只会从调用 fork 函数处开始运行。

fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：

1）在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID；

2）在子进程中，fork返回0；

3）如果出现错误，fork返回一个负值；

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("hello (pid:%d)\n", (int) getpid());
    int rc = fork();
    if (rc < 0) { // fork failed, exit
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) { // child (new process)
        printf("hello, i am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
    } else { // parent goes down this path (main)
        printf("hello, i am parent of %d (pid:%d)\n", rc, (int) getpid());
    }

    return 0;
}


/*
复制了当前进程的备份，称为子进程，子进程一般在父进程执行完后再执行，子进程不会从 main 函数开始
执行，而是从 fork 函数开始执行

大致结果：
hello (pid:10642)
hello, i am parent of 10643 (pid:10642)
hello, i am child (pid:10643)
*/

2.wait()

wait函数让当前进程执行等操作，进入wait状态，而操作系统的调度器则会去执行其他的进程，当根据调度策略执行完其他进程，回到该正在等的进程时，继续执行这个进程。

返回值：如果执行成功则返回子进程识别码(PID), 如果有错误发生则返回-1. 失败原因存于errno 中.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("hello (pid:%d)\n", (int) getpid());
    int rc = fork();
    if (rc < 0) { // fork failed, exit
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) { // child (new process)
        printf("hello, i am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
    } else { // parent goes down this path (main)
        int wc = wait(NULL);
        printf("hello, i am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n", rc, wc, (int) getpid());
    }

    return 0;
}


/*
父进程进程了等操作，所以子进程先走，完了后再继续执行父进程

大致结果：
hello (pid:10633)
hello, i am child (pid:10634)
hello, i am parent of 10634 (wc:10634) (pid:10633)
*/

3.exec() 函数集合

下面这些函数执行操作系统的命令

  • execl(path, arg1, arg2, …)
  • execle(path, arg1, arg2, …)
  • execlp(file, arg1, arg2, …)
  • execv(path, arg[])
  • execvp(file, arg[])

最好用 execve() 内核级系统调用，上面5个都是调用了这个函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("hello (pid:%d)\n", (int) getpid());
    int rc = fork();
    if (rc < 0) { // fork failed, exit
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) { // child (new process)
        printf("hello, i am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
        char *myargs[3];
        myargs[0] = strdup("wc");   // program: "wc" (word count)
        myargs[1] = strdup("p3.c"); // argument: file to count
        myargs[2] = NULL;           // marks end of array
        execvp(myargs[0], myargs);  // runs word count
        printf("this shouldn't print out\n");
    } else { // parent goes down this path (main)
        int wc = wait(NULL);
        printf("hello, i am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n", rc, wc, (int) getpid());
    }

    return 0;
}


/*
strdup() 复制字符串的备份并返回
execvp() 执行成功直接退出，执行失败则继续往下走

大致结果：
hello (pid:10700)
hello, i am child (pid:10701)
 28 121 917 p3.c
hello, i am parent of 10701 (wc:10701) (pid:10700)
*/

4.总结

fork/exec 编程模式很流行

进程的创建

从程序到进程创建 program_to_process

  • 1.进程加载一个程序和静态数据到内存，要求操作系统从磁盘读取数据并把它们放到内存中去。
  • 2.为程序的运行栈分配内存 Ｃ语言用栈来处理局部变量、函数形参和返回地址。 用堆来动态分配数据：例如调用 malloc() 分配内存，释放内存调用 free()， 堆的数据结构可以是链表、hash 表、树等。

进程的状态

进程状态转换图 process_state_transitions Running 运行中 Ready 等待 Blocked 阻塞 Zombie 僵尸

进程的数据结构

进程也有自己的数据结构，一般是进程数据块 Process Control Block(PCB)

参考

http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/cpu-api.pdf

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