进程与线程：从概念到实践

1. 进程概念

程序：存放在外存中的一段代码的集合。

进程：是程序动态执行的过程，包括创建、调度、消亡。

2. 进程命令

• top：根据 CPU 占用率查看进程信息。
• PID：唯一区分进程的 ID 号。
• PPID：父进程的 ID 号。
• ps -ef：查看进程信息。
• pstree：查看进程关系。
• ps -aux：查看进程运行状态。
• kill：杀死进程。

任务后台执行：./a.out &

查看后台执行的任务：jobs

将后台任务放到前台执行：fg 编号

查看终端下的前后台任务：ps

修改进程优先级：nice -n 优先级 进程任务、renice -n 优先级 进程PID

3. 进程的创建

3.1 进程空间划分

32 位操作系统下，进程占 0 - 4G 虚拟内存空间，可以划分为文本段、数据段及系统数据段。

• 文本段：指令。
• 数据段：字符串常量、未初始化全局变量/静态变量、初始化的全局变量/静态变量。
• 系统数据段：堆区、栈区。

3.2 特性

• 进程空间是独立的，每个进程独享进程空间。
• 所有进程共享 0-4G 虚拟内存空间。
• 分时复用。

3.3 进程调度

多个进程任务需要同时运行。常见进程调度算法：

1. 先来先执行，后来后执行。
2. 高优先级调度算法。
3. 时间片轮转调度算法（宏观并行，微观串行）。
4. 多级队列反馈调度算法。
5. 负载均衡调度算法。

时间片：CPU 在进程任务中执行的一小段时间称为时间片。

3.4 进程状态

• 就绪态（R）：没有被 CPU 轮转到的正在执行的任务。
• 运行态（R）：正在被 CPU 执行的任务。
• 可唤醒等待态（S）：由于缺少资源让程序暂时挂起的状态，等待过程中可以被唤醒。
• 不可唤醒等待态（D）：等待过程中不会被唤醒称为不可唤醒等待态。
• 停止态（T）：由于系统需要让进程任务暂停，则将进程设置为停止态。
• 僵尸态（Z）：进程代码执行结束，空间没有被回收。
• 结束态（X）：代码执行结束，空间被回收的时刻。

4. 进程相关的函数接口

4.1 fork

pid_t fork(void); 功能：创建一个子进程空间 参数：缺省 返回值：成功父进程中返回子进程的 PID，子进程中返回 0，失败返回 -1

4.2 getpid

pid_t getpid(void); 功能：返回调用进程的进程 ID 号

4.3 exit

void exit(int status); 功能：进程结束

主函数中调用 exit 与调用 return 效果相同；函数体内调用 return，函数结束，调用 exit 让进程结束。

4.4 练习

创建一个进程的两个子进程，子进程中打印自己的 PID 和父进程的 PID，父进程中打印自己的 PID 和 2 个子进程的 PID。

5. 进程的消亡

5.1 僵尸进程产生原因

进程代码执行结束，空间没有被回收，就会成为僵尸进程。

5.2 如何避免产生僵尸进程

• 让父进程先结束，子进程成为孤儿进程，被 init 进程收养，子进程结束，init 进程回收子进程空间，避免产生僵尸进程。
• 子进程结束，父进程回收子进程空间，就能避免子进程成为僵尸进程。

6. 进程回收函数接口

pid_t wait(int *wstatus); 功能：回收子进程空间 参数：wstatus：存子进程结束状态空间的首地址 返回值：成功返回回收到的子进程的 PID，失败返回 -1

相关宏：

• WIFEXITED(wstatus)：检测子进程是否正常退出。
• WEXITSTATUS(wstatus)：获得子进程退出时的值。
• WIFSIGNALED(wstatus)：检测子进程是否被信号杀死。
• WTERMSIG(wstatus)：获得杀死信号的编号。

wait 回收子进程空间，避免子进程成为僵尸进程；wait 具有阻塞功能，能够实现多任务同步。

6.1 waitpid

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options); 功能：回收指定子进程的空间 参数：pid：要回收的子进程的 PID wstatus：存放子进程结束状态空间的首地址 options：0 阻塞回收 WNOHANG 非阻塞回收 返回值：成功返回回收到的进程的 ID 号，失败返回 -1

WNOHANG设置非阻塞，如果子进程没有结束返回 0。

7. exec 函数族

exec 函数族的功能：利用进程空间执行另一段代码。

int execl(const char *path, const char *arg, ... /* (char *) NULL */); int execlp(const char *file, const char *arg, ... /* (char *) NULL */); int execle(const char *path, const char *arg, ... /*, (char *) NULL, char * const envp[] */); int execv(const char *path, char *const argv[]); int execvp(const char *file, char *const argv[]); int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

参数说明：

• path：路径名。
• file：文件名。
• l：参数以列表形式传递。
• v：参数以指针数组形式传递。
• p：在系统路径 PATH 下查找文件名。
• e：执行另一段代码时更新进程的环境变量。

返回值：成功会执行另一份代码，失败返回 -1。

8. 环境变量

环境变量：进程在执行代码过程中临时存放信息的变量，称为环境变量。

extern char **environ;

int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite); 功能：设置环境变量的值 参数：name：环境变量名称 value：设置的环境变量的值 overwrite：非 0 覆盖，0 不会覆盖 返回值：成功返回 0，失败返回 -1