进程控制开发之：Linux进程概述

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        7.1  Linux进程概述

        7.1.1  进程的基本概念

        1．进程的定义

        进程的概念首先是在20世纪60年代初期由MIT的Multics系统和IBM的TSS/360系统引入的。在40多年的发展中，人们对进程有过各种各样的定义。现列举较为著名的几种。
        （1）进程是一个独立的可调度的活动（E. Cohen，D. Jofferson）。
        （2）进程是一个抽象实体，当它执行某个任务时，要分配和释放各种资源（P. Denning）。
        （3）进程是可以并行执行的计算单位。（S. E. Madnick，J. T. Donovan）。
         
        以上进程的概念都不相同，但其本质是一样的。它指出了进程是一个程序的一次执行的过程，同时也是资源分配的最小单元。它和程序是有本质区别的，程序是静态的，它是一些保存在磁盘上的指令的有序集合，没有任何执行的概念；而进程是一个动态的概念，它是程序执行的过程，包括了动态创建、调度和消亡的整个过程。它是程序执行和资源管理的最小单位。因此，对系统而言，当用户在系统中键入命令执行一个程序的时候，它将启动一个进程。
         
        2．进程控制块

        进程是Linux系统的基本调度和管理资源的单位，那么从系统的角度看如何描述并表示它的变化呢？在这里，是通过进程控制块来描述的。进程控制块包含了进程的描述信息、控制信息以及资源信息，它是进程的一个静态描述。在Linux中，进程控制块中的每一项都是一个task_struct结构，它是在include/linux/sched.h中定义的。
         
        3．进程的标识

        在Linux中最主要的进程标识有进程号（PID，Process Idenity Number）和它的父进程号（PPID，parent process ID）。其中PID惟一地标识一个进程。PID和PPID都是非零的正整数。
        在Linux中获得当前进程的PID和PPID的系统调用函数为getpid()和getppid()，通常程序获得当前进程的PID和PPID之后，可以将其写入日志文件以做备份。getpid()和getppid()系统调用过程如下所示：
         
        /* pid.c */
        #include<stdio.h>
        #include<unistd.h>
        #include <stdlib.h>
         
        int main()
        {
             /*获得当前进程的进程ID和其父进程ID*/
             printf("The PID of this process is %d\n", getpid());
                 printf("The PPID of this process is %d\n", getppid());
        }
         
        使用arm-linux-gcc进行交叉编译，再将其下载到目标板上运行该程序，可以得到如下结果，该值在不同的系统上会有所不同：
         
        $ ./pid
        The PID of this process is 78
        THe PPID of this process is 36
         
        另外，进程标识还有用户和用户组标识、进程时间、资源利用情况等，这里就不做一一介绍，感兴趣的读者可以参见W.Richard Stevens编著的《Advanced Programming in the UNIX Environmen》。
         
        4．进程运行的状态

        进程是程序的执行过程，根据它的生命周期可以划分成3种状态。
        n 执行态：该进程正在运行，即进程正在占用CPU。
        n 就绪态：进程已经具备执行的一切条件，正在等待分配CPU的处理时间片。
        n 等待态：进程不能使用CPU，若等待事件发生（等待的资源分配到）则可将其唤醒。
        它们之间转换的关系如图7.1所示。

       

        图7.1  进程3种状态的转化关系

         
        7.1.2  Linux下的进程结构

        Linux系统是一个多进程的系统，它的进程之间具有并行性、互不干扰等特点。也就是说，每个进程都是一个独立的运行单位，拥有各自的权利和责任。其中，各个进程都运行在独立的虚拟地址空间，因此，即使一个进程发生异常，它也不会影响到系统中的其他进程。
         
        Linux中的进程包含3个段，分别为“数据段”、“代码段”和“堆栈段”。
         
        n “数据段”存放的是全局变量、常数以及动态数据分配的数据空间，根据存放的数据，数据段又可以分成普通数据段（包括可读可写/只读数据段，存放静态初始化的全局变量或常量）、BSS数据段（存放未初始化的全局变量）以及堆（存放动态分配的数据）。
        n “代码段”存放的是程序代码的数据。
        n “堆栈段”存放的是子程序的返回地址、子程序的参数以及程序的局部变量等。如图7.2所示。、

       

        图7.2  Linux中进程结构示意图

         
        7.1.3  Linux下进程的模式和类型

        在Linux系统中，进程的执行模式划分为用户模式和内核模式。如果当前运行的是用户程序、应用程序或者内核之外的系统程序，那么对应进程就在用户模式下运行；如果在用户程序执行过程中出现系统调用或者发生中断事件，那么就要运行操作系统（即核心）程序，进程模式就变成内核模式。在内核模式下运行的进程可以执行机器的特权指令，而且此时该进程的运行不受用户的干扰，即使是root用户也不能干扰内核模式下进程的运行。
         
        用户进程既可以在用户模式下运行，也可以在内核模式下运行，如图7.3所示。

       

        图7.3用户进程的两种运行模式

         

        7.1.4  Linux下的进程管理

        Linux下的进程管理包括启动进程和调度进程，下面就分别对这两方面进行简要讲解。
         
        1．启动进程

        Linux下启动一个进程有两种主要途径：手工启动和调度启动。手工启动是由用户输入命令直接启动进程，而调度启动是指系统根据用户的设置自行启动进程。
        （1）手工启动。
        手工启动进程又可分为前台启动和后台启动。
        n 前台启动是手工启动一个进程的最常用方式。一般地，当用户键入一个命令如“ls -l”时，就已经启动了一个进程，并且是一个前台的进程。
        n 后台启动往往是在该进程非常耗时，且用户也不急着需要结果的时候启动的。比如用户要启动一个需要长时间运行的格式化文本文件的进程。为了不使整个shell在格式化过程中都处于“瘫痪”状态，从后台启动这个进程是明智的选择。
         
        （2）调度启动。
        有时，系统需要进行一些比较费时而且占用资源的维护工作，并且这些工作适合在深夜无人值守的时候进行，这时用户就可以事先进行调度安排，指定任务运行的时间或者场合，到时候系统就会自动完成这一切工作。
        使用调度启动进程有几个常用的命令，如at命令在指定时刻执行相关进程，cron命令可以自动周期性地执行相关进程，在需要使用时读者可以查看相关帮助手册。
         
        2．调度进程

        调度进程包括对进程的中断操作、改变优先级、查看进程状态等，在Linux下可以使用相关的系统命令实现其操作，在表7.1中列出了Linux中常见的调用进程的系统命令，读者在需要的时候可以自行查找其用法。
        表7.1 Linux中进程调度常见命令

选    项	参 数 含 义
ps	查看系统中的进程
top	动态显示系统中的进程
nice	按用户指定的优先级运行
renice	改变正在运行进程的优先级
kill	向进程发送信号（包括后台进程）
crontab	用于安装、删除或者列出用于驱动cron后台进程的任务。
bg	将挂起的进程放到后台执行