Linux下的C编程实战（三）――进程控制与进程通信编程

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1.Linux进程

       Linux进程在内存中包含三部分数据：代码段、堆栈段和数据段。代码段存放了程序的代码。代码段可以为机器中运行同一程序的数个进程共享。堆栈段存放的是子程序（函数）的返回地址、子程序的参数及程序的局部变量。而数据段则存放程序的全局变量、常数以及动态数据分配的数据空间（比如用malloc函数申请的内存）。与代码段不同，如果系统中同时运行多个相同的程序，它们不能使用同一堆栈段和数据段。

Linux进程主要有如下几种状态：用户状态（进程在用户状态下运行的状态）、内核状态（进程在内核状态下运行的状态）、内存中就绪（进程没有执行，但处于就绪状态，只要内核调度它，就可以执行）、内存中睡眠（进程正在睡眠并且处于内存中，没有被交换到SWAP设备）、就绪且换出（进程处于就绪状态，但是必须把它换入内存，内核才能再次调度它进行运行）、睡眠且换出（进程正在睡眠，且被换出内存）、被抢先（进程从内核状态返回用户状态时，内核抢先于它，做了上下文切换，调度了另一个进程，原先这个进程就处于被抢先状态）、创建状态（进程刚被创建，该进程存在，但既不是就绪状态，也不是睡眠状态，这个状态是除了进程0以外的所有进程的最初状态）、僵死状态（进程调用exit结束，进程不再存在，但在进程表项中仍有记录，该记录可由父进程收集）。

下面我们来以一个进程从创建到消亡的过程讲解Linux进程状态转换的“生死因果”。

（1）进程被父进程通过系统调用fork创建而处于创建态；

（2）fork调用为子进程配置好内核数据结构和子进程私有数据结构后，子进程进入就绪态（或者在内存中就绪，或者因为内存不够而在SWAP设备中就绪）；

（3）若进程在内存中就绪，进程可以被内核调度程序调度到CPU运行；

（4）内核调度该进程进入内核状态，再由内核状态返回用户状态执行。该进程在用户状态运行一定时间后，又会被调度程序所调度而进入内核状态，由此转入就绪态。有时进程在用户状态运行时，也会因为需要内核服务，使用系统调用而进入内核状态，服务完毕，会由内核状态转回用户状态。要注意的是，进程在从内核状态向用户状态返回时可能被抢占，这是由于有优先级更高的进程急需使用CPU，不能等到下一次调度时机，从而造成抢占；

（5）进程执行exit调用，进入僵死状态，最终结束。

2.进程控制

进程控制中主要涉及到进程的创建、睡眠和退出等，在Linux中主要提供了fork、exec、clone的进程创建方法，sleep的进程睡眠和exit的进程退出调用，另外Linux还提供了父进程等待子进程结束的系统调用wait。

fork

对于没有接触过Unix/Linux操作系统的人来说，fork是最难理解的概念之一，它执行一次却返回两个值，完全“不可思议”。先看下面的程序：

{

  if (fork() == 0)

    for (i = 1; i < 3; i++)

  }

  {

      printf("This is parent process\n");

}

执行结果为：

This is child process

This is parent process

fork在英文中是“分叉”的意思，这个名字取得很形象。一个进程在运行中，如果使用了fork，就产生了另一个进程，于是进程就“分叉”了。当前进程为父进程，通过fork()会产生一个子进程。对于父进程，fork函数返回子程序的进程号而对于子程序，fork函数则返回零，这就是一个函数返回两次的本质。可以说，fork函数是Unix系统最杰出的成就之一，它是七十年代Unix早期的开发者经过理论和实践上的长期艰苦探索后取得的成果。

如果我们把上述程序中的循环放的大一点：

{

  if (fork() == 0)

    for (i = 1; i < 10000; i++)

  }

  {

      printf("This is parent process\n");

}

则可以明显地看到父进程和子进程的并发执行，交替地输出“This is child process”和“This is parent process”。

此时此刻，我们还没有完全理解fork()函数，再来看下面的一段程序，看看究竟会产生多少个进程，程序的输出是什么？

{

  for (i = 0; i < 2; i++)

    if (fork() == 0)

      printf("This is child process\n");

    else

      printf("This is parent process\n");

  }

char command[MAX_CMD_LEN];

{

子进程的返回数值  while (1)

    /*  */

    fgets(command, MAX_CMD_LEN, stdin);

    if (fork() == 0)

      /*  */

      /* exec*/

      exit(errorno);

    else

      /*  */

      printf(" child process return %d\n", rtn);

  }

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

此函数返回创建进程的PID，函数中的flags标志用于设置创建子进程时的相关选项，具体含义如下表：

标志

含义

CLONE_PARENT

创建的子进程的父进程是调用者的父进程，新进程与创建它的进程成了“兄弟”而不是“父子”

CLONE_FS

子进程与父进程共享相同的文件系统，包括root、当前目录、umask

CLONE_FILES

子进程与父进程共享相同的文件描述符（file descriptor）表

CLONE_NEWNS

在新的namespace启动子进程，namespace描述了进程的文件hierarchy

CLONE_SIGHAND

子进程与父进程共享相同的信号处理（signal handler）表

CLONE_PTRACE

若父进程被trace，子进程也被trace

CLONE_VFORK

父进程被挂起，直至子进程释放虚拟内存资源

CLONE_VM

子进程与父进程运行于相同的内存空间

CLONE_PID

子进程在创建时PID与父进程一致

CLONE_THREAD

Linux 2.4中增加以支持POSIX线程标准，子进程与父进程共享相同的线程群

来看下面的例子：

 

   variable = 42;

   _exit(0);

 

   void **child_stack;

 

   fd = open("test.file", O_RDONLY);

   printf("The variable was %d\n", variable);

   clone(do_something, child_stack, CLONE_VM|CLONE_FILES, NULL);

延时以便子进程完成关闭文件操作、修改变量　 

   if (read(fd, &tempch, 1) < 1) {

      exit(1);

   printf("We could read from the file\n");

}

运行输出：

File Read Error

程序的输出结果告诉我们，子进程将文件关闭并将变量修改（调用clone时用到的CLONE_VM、CLONE_FILES标志将使得变量和文件描述符表被共享），父进程随即就感觉到了，这就是clone的特点。

sleep

函数调用sleep可以用来使进程挂起指定的秒数，该函数的原型为：　　

void _exit(int status);

_exit会立即终止发出调用的进程，所有属于该进程的文件描述符都关闭。参数status作为退出的状态值返回父进程，在父进程中通过系统调用wait可获得此值。

wait

wait系统调用包括：

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

wait的作用为发出调用的进程只要有子进程，就睡眠到它们中的一个终止为止； waitpid等待由参数pid指定的子进程退出。

3.进程间通信

Linux的进程间通信（IPC，InterProcess Communication）通信方法有管道、消息队列、共享内存、信号量、套接口等。

管道分为有名管道和无名管道，无名管道只能用于亲属进程之间的通信，而有名管道则可用于无亲属关系的进程之间。

#define OUTPUT 1

{

  /* */

  char buf[BUFFER_LEN];

  /**/

  /**/

  {

    exit(1);

  /**/

  {

    /**/

    write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));

  }

  {

执行父进程    printf("in the spawning (parent) process...\n");

父进程从管道读取子进程写的数据，关闭管道的写端    close(file_descriptors[OUTPUT]);

    printf("%d bytes of data received from spawned process: %s\n",

  }

int pipe(int filedis[2]);

方式定义，参数filedis返回两个文件描述符filedes[0]为读而打开，filedes[1]为写而打开，filedes[1]的输出是filedes[0]的输入；

在Linux系统下，有名管道可由两种方式创建（假设创建一个名为“fifoexample”的有名管道）：

（1）mkfifo("fifoexample","rw");

（2）mknod fifoexample p

mkfifo是一个函数，mknod是一个系统调用，即我们可以在shell下输出上述命令。

有名管道创建后，我们可以像读写文件一样读写之：

进程一：读有名管道void main()

  FILE *in_file;

  char buf[BUFFER_LEN];

  if (in_file == NULL)

    printf("Error in fdopen.\n");

  }

    printf("received from pipe: %s\n", buf);

}

/* */

{

  int count = 1;

  out_file = fopen("pipeexample", "w");

  {

    exit(1);

  sprintf(buf, "this is test data for the named pipe example\n");

  fclose(out_file);

int shmget(key_t key, int size, int flag);获得一个共享存储标识符void *shmat(int shmid, void *addr, int flag); /* */

shmid为shmget函数返回的共享存储标识符，addr和flag参数决定了以什么方式来确定连接的地址，函数的返回值即是该进程数据段所连接的实际地址。此后，进程可以对此地址进行读写操作访问共享内存。

本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：

（1）测试控制该资源的信号量；

（2）若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源，进程将进号量减1；

（3）若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）；

（4）当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1，如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。

下面是一个使用信号量的例子，该程序创建一个特定的IPC结构的关键字和一个信号量，建立此信号量的索引，修改索引指向的信号量的值，最后清除信号量：

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

{

定义一个关键字  int id;

  union semun options;

 

生成关键字，字符是一个随机种子  /* */

  printf("semaphore id=%d\n", id);

设置变量值  semctl(id, 0, SETVAL, options); /*0*/

  /**/

  printf("value of semaphore at index 0 is %d\n", i);

  /**/

设置哪个信号量  lock_it.sem_op =  - 1; /**/

操作方式  if (semop(id, &lock_it, 1) ==  - 1)

    printf("can not lock semaphore.\n");

  }

  i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);

 

清除信号量  semctl(id, 0, IPC_RMID, 0);

<span lang="EN-US" )="" 0%="" 50%;="" -moz-background-clip:="" -moz-initial;="" -moz-background-origin:="" -moz-background-inline-policy:="" -moz-initial"="" style="padding: 0px; margin: 0px;">}

套接字通信并不为Linux所专有，在所有提供了TCP/IP协议栈的操作系统中几乎都提供了socket，而所有这样操作系统，对套接字的编程方法几乎是完全一样的。

4.小节

本章讲述了Linux进程的概念，并以多个实例讲解了进程控制及进程间通信方法，理解这一章的内容可以说是理解Linux这个操作系统的关键。