linux教程第05课进程控制.ppt

第5章 Linux内核简介,主要内容 Linux核心的一般结构 进程的概念、进程的调度和进程通信 文件系统的构成和管理 内存管理 设备驱动及中断处理,5.1 概 述,Linux系统大致可分为三层： 靠近硬件的底层是内核，即Linux操作系统常驻内存部分。 中间层是内核之外的shell层，即操作系统的系统程序部分。 最高层是应用层，即用户程序部分,从结构上看，Linux操作系统是采用单块结构的操作系统。 一般说来，可以将操作系统划分为内核和系统程序两部分。,进程控制系统用于进程管理、进程同步、进程通信、进程调度和内存管理等。 内存管理控制内存分配与回收。 文件系统管理文件、分配文件空间、管理空闲空间、控制对文件的访问并为用户检索数据。 Linux系统支持三种类型的硬件设备：字符设备、块设备和网络设备。 核心底层的硬件控制负责处理中断以及与机器通信。,启动一个Linux系统的过程是：一个不隶属于任何操作系统的加载程序将Linux部分内核调入内存，并将控制权交给内存中Linux内核的第一行代码。此后Linux要将自己的剩余部分全部加载到内存、初始化所有的设备、在内存中建立好所需的数据结构（有关进程、设备、内存等）。 到此为止，Linux内核的工作告一段落，内核已经控制了所有硬件设备。至于操作和使用这些硬件设备，则属于系统部分。 内核加载设备并启动init守护进程，init守护进程会根据配置文件加载文件系统、配置网络、服务进程、终端等。一旦终端初始化完毕，我们会看到系统的欢迎界面了。,系统调用和库函数,系统调用是操作系统提供的、与用户程序之间的接口，也就是操作系统提供给程序员的接口 从感觉上系统调用类似于过程调用，都由程序代码构成，使用方式相同 两者有实质差别：过程调用只能在用户态下运行，不能进入核心态；而系统调用可以实现从用户态到核心态的转变。 系统调用可大致分为五个类别：进程控制、文件管理、设备管理、信息维护和通信,库函数,它们本身并不属于操作系统的内核部分 库函数可以分为下面六大类： 文件管理 状态信息 文件修改 程序设计语言的支持 程序装入和执行 通信,调用方式 例如，creat系统调用可以创建一个新文件，其函数原型说明如下： #include #include #include int open(const char *path, int oflags); 不同的系统调用所需要的头文件（又称前导文件）是不同的。,5.2 进 程 管 理 5.2.1 进程和线程的概念,1进程及其状态 简单说来，进程就是程序的一次执行过程。 进程至少要有三种基本状态。这三种基本状态是：运行态、就绪态和封锁态（或等待态）。 进程的状态可依据一定的条件和原因而变化,进程控制块,进程的物理表示,2Linux进程状态,3进程的模式和类型 在Linux系统中，进程的执行模式划分为用户模式和内核模式 按照进程的功能和运行的程序来分，进程划分为两大类：一类是系统进程，另一类是用户进程,4Linux线程 Linux把线程定义为进程的“执行上下文” 具有一段可执行的程序、专用的系统堆栈空间、私有的“线程控制块”（即thread_struct数据结构） 缺少自己的存储空间,linux进程的概念,Linux操作系统包括三种不同类型的进程，每种进程都有自己的特点和属性： 交互进程:由shell启动的进程。 批处理进程:这种进程和终端没有联系，是一个进程序列。 守护进程(dameon进程):在后台持续运行的进程。,进程管理命令,进程查看命令 ps ps 选项 主要选项的含义如下： -e：显示所有进程； -h：不显示标题； -l：采用详细的格式来显示进程； -a：显示所有终端上的进程，包括其他用户的进程； -r：只显示当前终端上正在运行的进程； -x：显示所有进程，不以终端来区分； -u：以用户为主的格式来显示进程；,删除进程命令kill kill -s | -p -a kill -s | -p -a . kill -l 信号 选项的含义如下： -s：指定需要送出的信号。既可以是信号名也可以是信号名对应的数字。 -p：指定kill命令只显示命名进程的pid，并不真正送出任何信号。 -l：显示信号名称列表，该列表也可以在/usr/include/linux/signal.h文件中找到。,系统监视,系统监控命令top ：能显示实时的进程列表，而且还能实时监视系统资源，包括内存、交换分区和CPU的使用率等。,5.2.2 Linux进程的结构,1task_struct结构 task_struct结构包含下列几方面的信息： 进程状态 调度信息 标志符(pid) 内部进程通讯 链接信息 时间和计时器 文件系统 虚拟内存 处理器信息,2进程系统堆栈 每个进程都有一个系统堆栈，用来保存中断现场信息和进程进入内核模式后执行子程序（函数）嵌套调用的返回现场信息。 每个进程的系统堆栈和task_struct数据结构之间存在紧密联系，因而二者物理存储空间也连在一起 系统堆栈的大小静态确定，用户堆栈可在运行时动态扩展,5.2.3 对进程的操作,1进程的创建 各个进程构成了树形的进程族系 内核在引导并完成了基本的初始化以后，就有了系统的第一个进程init（即初始化进程，实际上是内核线程）。除此之外，所有其他的进程和内核线程都由这个原始进程或其子孙进程所创建。 除初始化进程外，其他进程都是用系统调用fork( )和clone( )创建的。 fork( )是全部复制 ，而clone( ) 有选择地复制,1. fork函数,fork系统调用的作用是复制一个进程。当一个进程调用它，完成后就出现两个几乎一模一样的进程，我们也由此得到了一个新进程。 在Linux 中，创造新进程的方法只有一个，就是fork。其他一些库函数，如system()，看起来似乎它们也能创建新的进程，实际上也在内部调用了fork。包括我们在命令行下运行应用程序，新的进程也是由shell调用fork制造出来的。,1. fork函数,/* example_fork.c */ #include #inlcude main() pid_t pid; /*此时仅有一个进程*/ pid=fork(); /*此时已经有两个进程在同时运行*/ if(pid0) printf(“error in fork!“); else if(pid=0) printf(“I am the child process, my process ID is %dn“,getpid(); else printf(“I am the parent process, my process ID is %dn“,getpid(); ,1. fork函数,在语句pid=fork()之前，只有一个进程在执行这段代码，但在这条语句之后，就变成两个进程在执行了，这两个进程的代码部分完全相同，将要执行的下一条语句都是if(pid=0)。 两个进程中，原先就存在的那个被称作“父进程”，新出现的那个被称作“子进程”。父子进程的区别除了进程标志符（process ID）不同外，变量pid的值也不相同，pid存放的是fork的返回值。 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： 在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID； 在子进程中，fork返回0； 如果出现错误，fork返回一个负值； fork出错可能有两种原因：（1）当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时errno的值被设置为EAGAIN。（2）系统内存不足，这时errno的值被设置为ENOMEM。,2. getpid和getppid函数,#include #include pid_t getpid(void); pid_t getpgrp(void); pid_t getppid(void); 说明：分别返回调用进程的进程标识符、进程组标识符和其父进程标识符。,2进程的等待 父进程可用系统调用wait ( )等待它的任一个子进程终止，也可以用系统调用wait ( )等待某个特定的子进程终止。 wait ( )算法如下： （1）如果父进程没有子进程，则出错返回。 （2）如果发现有一个终止的子进程，则取出子进程的进程号，把子进程的CPU使用时间等加到父进程上，释放子进程占用的task_struct和系统空间堆栈，以供新进程使用。 （3）如果发现有子进程，但都不处于终止态，则父进程睡眠，等待由相应的信号唤醒。,5. wait和waitpid函数,#include #include pid_t wait(int *status); pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); 一个进程在终止时会关闭所有文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但它的PCB还保留着，内核在其中保存了一些信息：如果是正常终止则保存着退出状态，如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。这个进程的父进程可以调用wait或waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。 如果一个进程已经终止，但是它的父进程尚未调用wait或waitpid对它进行清理，这时的进程状态称为僵尸(Zombie)进程。任何进程在刚终止时都是僵尸进程，正常情况下，僵尸进程都立刻被父进程清理了. 如果一个父进程终止，而它的子进程还存在（这些子进程或者仍在运行，或者已经是僵尸进程了），则这些子进程的父进程改为init进程。,5. wait和waitpid函数,这两个函数的区别是： 1.如果父进程的所有子进程都还在运行，调用wait将使父进程阻塞，而调用waitpid时如果在options参数中指定WNOHANG可以使父进程不阻塞而立即返回0。 2.wait等待第一个终止的子进程，而waitpid可以通过pid参数指定等待哪一个子进程。 可见，调用wait和waitpid不仅可以获得子进程的终止信息，还可以使父进程阻塞等待子进程终止，起到进程间同步的作用。如果参数status不是空指针，则子进程的终止信息通过这个参数传出，如果只是为了同步而不关心子进程的终止信息，可以将status参数指定为NULL。,5. wait和waitpid函数,对于waitpid函数中的pid参数的作用见下表： pid = -1 等待任一子进程。 pid 0 等待其进程ID与pid相等的子进程 pid = 0 等待其组ID等于调用进程组ID的任一的子进程 pid -1 等待其组ID等于pid绝对值的任一的子进程 对于waitpid函数中的options参数的作用见下表： WCONTINUED 若实现支持作业控制，那么由pid指定的任一子进程在暂停后已经继续，但是状态没报告，则返回其状态 WNOHANG 若由pid指定的子进程并不是立即可用的，则waitpid不阻塞，此时返回值为0 WUNTRACED 若实现支持作业控制，那么由pid指定的任一子进程已经处于暂停状态并没报告过，则返回其状态,3进程的终止 进程可使用系统调用exit( )终止自己 其实现算法如下： （1）撤消所有的信号量。 （2）释放其所有的资源，包括存储空间、已打开的文件、工作目录、信号处理表等。 （3）置进程状态为“终止态”（TASK_ZOMBIE）。 （4）向它的父进程发送子进程终止的信号。 （5）执行进程调度。,4. exit和_exit函数,void exit(int status); void _exit(int status); exit()函数定义在 stdlib.h中，而_exit()定义在unistd.h中。_exit()函数的作用简单：直接使进程停止运行，清除其使用的内存空间，并销毁其在内核中的各种数据结构；exit()函数则在这些基础上作了一些包装，在执行退出之前加了若干道工序。 exit()函数与_exit()函数最大的区别就在于exit()函数在调用exit系统调用之前要检查文件的打开情况，把文件缓冲区中的内容写回文件，就是图中的“清理I/O缓冲”一项。,4进程映像的更换 改换进程映像的工作很复杂，是由系统调用execve( )实现的，它用一个可执行文件的副本来覆盖该进程的内存空间。 ELF可执行文件格式示意图 execve( )系统调用的基本算法如下： （1）验证文件的可执行性，即用户 有权执行它。 （2）读文件头，检查它是一个可装入模块。 （3）释放原有的内存空间。 （4）按照可执行文件的要求分配新的内存空间，并装入内存。,3. exec函数族,在Linux中，并不存在exec()函数，exec指的是一组函数，一共有6个，分别是： #include extern char *environ; int execl(const char *path, const char *arg, .); int execlp(const char *file, const char *arg, .); int execle(const char *path, const char *arg, ., char * const envp); int execv(const char *path, char *const argv); int execvp(const char *file, char *const argv); int execve(const char *path, char *const argv, char *const envp); 其中只有execve是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数。 exec函数族的作用是根据指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。这里的可执行文件既可以是二进制文件，也可以是任何Linux下可执行的脚本文件。,3. exec函数族,函数名与参数的关系： 细看一下，这6个函数都是以exec开头（表示属于exec函数组），前3个函数接着字母l，后3个接着字母v。 l表示list（列举参数），v表示vector（参数向量表）。它们的区别在于，execv开头的函数是以“char *argv”(vector)形式传递命令行参数，而execl开头的函数采用了罗列(list)的方式，把参数一个一个列出来，然后以一个NULL表示结束。 字母p是指在环境变量PATH的目录里去查找要执行的可执行文件。2个以p结尾的函数execlp和execvp，和execl与execv的差别很小，除execlp和execvp之外的4个函数都要求，它们的第1个参数path必须是一个完整的路径，如“/bin/ls“；而execlp和execvp的第1个参数file可以仅仅只是一个文件名，如“ls“，这两个函数可以自动到环境变量PATH指定的目录里去查找。 字母e是指给可执行文件指定环境变量。在全部6个函数中，只有execle和execve使用了char *envp传递环境变量，用指定的环境变量去替代默认的那些。,3. exec函数族,返回值 exec函数族的函数执行成功后不会返回，因为调用进程的实体，包括代码段，数据段和堆栈等都已经被新的内容取代，只有进程ID等一些表面上的信息仍保持原样。调用失败时，会设置errno并返回-1，然后从原程序的调用点接着往下执行。 与其他系统调用比起来，exec很容易失败，被执行文件的位置、权限等很多因素都能导致调用失败。因此，使用exec函数族时，一定要加错误判断语句。 最常见的错误： 找不到文件或路径，此时errno被设置为ENOENT； 数组argv和envp忘记用NULL结束，此时errno被设置为EFAULT； 没有对要执行文件的运行权限，此时errno被设置为EACCES。,3. exec函数族,应用 如果一个进程想执行另一个程序，它就可以fork出一个新进程，然后调用任何一个exec函数。 为此，Linux还专门对fork作了优化：通常fork会将调用进程的所有内容原封不动的拷贝到新产生的子进程中去，这些拷贝的动作很消耗时间，而如果fork完之后我们马上就调用exec，那这些辛辛苦苦拷贝来的东西就会被立刻抹掉，这看起来非常不划算，于是人们设计了一种“写时复制（copy-on-write）“技术，使得fork结束后并不立刻复制父进程的内容到子进程，而是到了真正使用时才复制，这样如果下一条语句是exec，它就不会作无用功了。其实“写时复制“还是有复制，进程的mm结构、页表都还是被复制了。,3. exec函数族,例程 /* example_exec.c */ #include void main(void) if (fork() = 0) if (execl(“/bin/echo“, “echo“, “executed by execl“, NULL) 0) if (execlp(“echo“, “echo“, “executed by execlp“, NULL) 0) if (execle(“/usr/bin/env“,