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 |