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标题: 系统调用跟我学(2) [打印本页]

作者: look_w 时间: 2018-4-16 13:27 标题: 系统调用跟我学(2)

关于进程的一些必要知识先看一下进程在大学课本里的标准定义：“进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。”这个定义非常严谨，而且难懂，如果你没有一下子理解这句话，就不妨看看笔者自己的并不严谨的解释。我们大家都知道，硬盘上的一个可执行文件经常被称作程序，在Linux系统中，当一个程序开始执行后，在开始执行到执行完毕退出这段时间里，它在内存中的部分就被称作一个进程。
当然，这个解释并不完善，但好处是容易理解，在以下的文章中，我们将会对进程作一些更全面的认识。
Linux进程简介Linux是一个多任务的操作系统，也就是说，在同一个时间内，可以有多个进程同时执行。如果读者对计算机硬件体系有一定了解的话，会知道我们大家常用的单CPU计算机实际上在一个时间片断内只能执行一条指令，那么Linux是如何实现多进程同时执行的呢？原来Linux使用了一种称为“进程调度（process scheduling）”的手段，首先，为每个进程指派一定的运行时间，这个时间通常很短，短到以毫秒为单位，然后依照某种规则，从众多进程中挑选一个投入运行，其他的进程暂时等待，当正在运行的那个进程时间耗尽，或执行完毕退出，或因某种原因暂停，Linux就会重新进行调度，挑选下一个进程投入运行。因为每个进程占用的时间片都很短，在我们使用者的角度来看，就好像多个进程同时运行一样了。
在Linux中，每个进程在创建时都会被分配一个数据结构，称为进程控制块（Process Control Block，简称PCB）。PCB中包含了很多重要的信息，供系统调度和进程本身执行使用，其中最重要的莫过于进程ID（process ID）了，进程ID也被称作进程标识符，是一个非负的整数，在Linux操作系统中唯一地标志一个进程，在我们最常使用的I386架构（即PC使用的架构）上，一个非负的整数的变化范围是0-32767，这也是我们所有可能取到的进程ID。其实从进程ID的名字就可以看出，它就是进程的身份证号码，每个人的身份证号码都不会相同，每个进程的进程ID也不会相同。
一个或多个进程可以合起来构成一个进程组（process group），一个或多个进程组可以合起来构成一个会话（session）。这样我们就有了对进程进行批量操作的能力，比如通过向某个进程组发送信号来实现向该组中的每个进程发送信号。
最后，让我们通过ps命令亲眼看一看自己的系统中目前有多少进程在运行：

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$ps -aux （以下是在我的计算机上的运行结果，你的结果很可能与这不同。）
USER    PID %CPU %MEM VSZ  RSS TTY    STAT START TIME COMMAND
root       1  0.1  0.4  1412  520 ?       S May15 0:04 init [3]
root       2  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [keventd]
root       3  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [kapm-idled]
root       4  0.0  0.0    0 0 ?       SWN  May15 0:00 [ksoftirqd_CPU0]
root       5  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [kswapd]
root       6  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [kreclaimd]
root       7  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [bdflush]
root       8  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [kupdated]
root       9  0.0  0.0    0 0 ?       SW<  May15 0:00 [mdrecoveryd]
root       13  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [kjournald]
root    132  0.0  0.0    0 0 ?       SW May15 0:00 [kjournald]
root    673  0.0  0.4  1472  592 ?       S May15 0:00 syslogd -m 0
root    678  0.0  0.8  2084 1116 ?       S May15 0:00 klogd -2
rpc       698  0.0  0.4  1552  588 ?       S May15 0:00 portmap
rpcuser 726  0.0  0.6  1596  764 ?       S May15 0:00 rpc.statd
root    839  0.0  0.4  1396  524 ?       S May15 0:00 /usr/sbin/apmd -p
root    908  0.0  0.7  2264 1000 ?       S May15 0:00 xinetd -stayalive
root    948  0.0  1.5  5296 1984 ?       S May15 0:00 sendmail: accepti
root    967  0.0  0.3  1440  484 ?       S May15 0:00 gpm -t ps/2 -m /d
wnn       987  0.0  2.7  4732 3440 ?       S May15 0:00 /usr/bin/cserver
root    1005  0.0  0.5  1584  660 ?       S May15 0:00 crond
wnn    1025  0.0  1.9  3720 2488 ?       S May15 0:00 /usr/bin/tserver
xfs    1079  0.0  2.5  4592 3216 ?       S May15 0:00 xfs -droppriv -da
daemon 1115  0.0  0.4  1444  568 ?       S May15 0:00 /usr/sbin/atd
root    1130  0.0  0.3  1384  448 tty1    S May15 0:00 /sbin/mingetty tt
root    1131  0.0  0.3  1384  448 tty2    S May15 0:00 /sbin/mingetty tt
root    1132  0.0  0.3  1384  448 tty3    S May15 0:00 /sbin/mingetty tt
root    1133  0.0  0.3  1384  448 tty4    S May15 0:00 /sbin/mingetty tt
root    1134  0.0  0.3  1384  448 tty5    S May15 0:00 /sbin/mingetty tt
root    1135  0.0  0.3  1384  448 tty6    S May15 0:00 /sbin/mingetty tt
root    8769  0.0  0.6  1744  812 ?       S 00:08 0:00 in.telnetd: 192.1
root    8770  0.0  0.9  2336 1184 pts/0 S 00:08 0:00 login -- lei
lei    8771  0.1  0.9  2432 1264 pts/0 S 00:08 0:00 -bash
lei    8809  0.0  0.6  2764  808 pts/0 R 00:09 0:00 ps -aux

以上除标题外，每一行都代表一个进程。在各列中，PID一列代表了各进程的进程ID，COMMAND一列代表了进程的名称或在Shell中调用的命令行，对其他列的具体含义，我就不再作解释，有兴趣的读者可以去参考相关书籍。
getpid在2.4.4版内核中，getpid是第20号系统调用，其在Linux函数库中的原型是：

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#include<sys/types.h> /* 提供类型pid_t的定义 */
#include<unistd.h> /* 提供函数的定义 */
pid_t getpid(void);

getpid的作用很简单，就是返回当前进程的进程ID，请大家看以下的例子：

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/* getpid_test.c */
#include<unistd.h>
main()
{
printf("The current process ID is %d\n",getpid());
}

细心的读者可能注意到了，这个程序的定义里并没有包含头文件sys/types.h，这是因为我们在程序中没有用到pid_t类型，pid_t类型即为进程ID的类型。事实上，在i386架构上（就是我们一般PC计算机的架构），pid_t类型是和int类型完全兼容的，我们可以用处理整形数的方法去处理pid_t类型的数据，比如，用"%d"把它打印出来。
编译并运行程序getpid_test.c：

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$gcc getpid_test.c -o getpid_test
$./getpid_test
The current process ID is 1980
（你自己的运行结果很可能与这个数字不一样，这是很正常的。）

再运行一遍：

1 2	$./getpid_test The current process ID is 1981

正如我们所见，尽管是同一个应用程序，每一次运行的时候，所分配的进程标识符都不相同。
fork在2.4.4版内核中，fork是第2号系统调用，其在Linux函数库中的原型是：

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#include<sys/types.h> /* 提供类型pid_t的定义 */
#include<unistd.h> /* 提供函数的定义 */
pid_t fork(void);

只看fork的名字，可能难得有几个人可以猜到它是做什么用的。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。据说fork的名字就是来源于这个与叉子的形状颇有几分相似的工作流程。
在Linux中，创造新进程的方法只有一个，就是我们正在介绍的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，如果能看一下它们的源码就会明白，它们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。fork有一些很有意思的特征，下面就让我们通过一个小程序来对它有更多的了解。

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/* fork_test.c */
#include<sys/types.h>
#inlcude<unistd.h>
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(pid<0)
      printf("error in fork!");
else if(pid==0)
      printf("I am the child process, my process ID is %d\n",getpid());
else
      printf("I am the parent process, my process ID is %d\n",getpid());
}

编译并运行：

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$gcc fork_test.c -o fork_test
$./fork_test
I am the parent process, my process ID is 1991
I am the child process, my process ID is 1992

看这个程序的时候，头脑中必须首先了解一个概念：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。（关于errno的意义，请参考本系列的第一篇文章。）
fork系统调用出错的可能性很小，而且如果出错，一般都为第一种错误。如果出现第二种错误，说明系统已经没有可分配的内存，正处于崩溃的边缘，这种情况对Linux来说是很罕见的。
说到这里，聪明的读者可能已经完全看懂剩下的代码了，如果pid小于0，说明出现了错误；pid==0，就说明fork返回了0，也就说明当前进程是子进程，就去执行printf("I am the child!")，否则（else），当前进程就是父进程，执行printf("I am the parent!")。完美主义者会觉得这很冗余，因为两个进程里都各有一条它们永远执行不到的语句。不必过于为此耿耿于怀，毕竟很多年以前，UNIX的鼻祖们在当时内存小得无法想象的计算机上就是这样写程序的，以我们如今的“海量”内存，完全可以把这几个字节的顾虑抛到九霄云外。
说到这里，可能有些读者还有疑问：如果fork后子进程和父进程几乎完全一样，而系统中产生新进程唯一的方法就是fork，那岂不是系统中所有的进程都要一模一样吗？那我们要执行新的应用程序时候怎么办呢？从对Linux系统的经验中，我们知道这种问题并不存在。至于采用了什么方法，我们把这个问题留到后面具体讨论。

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