荔园在线
荔园之美，在春之萌芽，在夏之绽放，在秋之收获，在冬之沉淀
[回到开始]
[上一篇][下一篇]
发信人: ykwch.bbs@bbs.cqupt.edu.cn (心蓝), 信区: Linux
标 题: inux系统调用跟我学(2)――进程管理
发信站: 幽幽黄桷兰 (Fri Dec 13 16:09:40 2002)
转信站: SZU!news.tiaozhan.com!news.happynet.org!CQUPT
Linux系统调用跟我学(2)――进程管理
贴出者为 llc
作者：雷镇 本文选自：IBM DW中国 2002年09月24日
本文介绍了Linux下的进程概念，并着重讲解了与Linux进程管理相关的4个重要系统调用
getpid,fork,exit和_exit，辅助一些例程说明了它们的特点和使用方法。
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 C
ontrol 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：
$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_CP
U0]
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/apm
d -p
root 908 0.0 0.7 2264 1000 ? S May15 0:00 xinetd -staya
live
root 948 0.0 1.5 5296 1984 ? S May15 0:00 sendmail: acc
epti
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/cser
ver
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/tser
ver
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/mingett
y tt
root 1131 0.0 0.3 1384 448 tty2 S May15 0:00 /sbin/mingett
y tt
root 1132 0.0 0.3 1384 448 tty3 S May15 0:00 /sbin/mingett
y tt
root 1133 0.0 0.3 1384 448 tty4 S May15 0:00 /sbin/mingett
y tt
root 1134 0.0 0.3 1384 448 tty5 S May15 0:00 /sbin/mingett
y tt
root 1135 0.0 0.3 1384 448 tty6 S May15 0:00 /sbin/mingett
y tt
root 8769 0.0 0.6 1744 812 ? S 00:08 0:00 in.telnetd: 1
92.1
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，C
OMMAND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：
#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：
/* getpid_test.c */
#include<unistd.h>
main()
{
printf("The current process ID is %d
",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：
$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：
$./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：
#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。
/* 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
",getpid());
else
printf("I am the parent process, my process ID is %d
",getpid());
}
编译并运行：
$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 a
m the child!")，否则（else），当前进程就是父进程，执行printf("I am the paren
t!")。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。
exit
在2.4.4版内核中，exit是第1号调用，其在Linux函数库中的原型是：
#include<stdlib.h>
void exit(int status);
不像fork那么难理解，从exit的名字就能看出，这个系统调用是用来终止一个进程的。
无论在程序中的什么位置，只要执行到exit系统调用，进程就会停止剩下的所有操作，
清除包括PCB在内的各种数据结构，并终止本进程的运行。请看下面的程序：
/* exit_test1.c */
#include<stdlib.h>
main()
{
printf("this process will exit!
");
exit(0);
printf("never be displayed!
");
}
编译后运行：
$gcc exit_test1.c -o exit_test1
$./exit_test1
this process will exit!
我们可以看到，程序并没有打印后面的"never be displayed! "，因为在此之前，在执
行到exit(0)时，进程就已经终止了。
exit系统调用带有一个整数类型的参数status，我们可以利用这个参数传递进程结束时
的状态，比如说，该进程是正常结束的，还是出现某种意外而结束的，一般来说，0表示
没有意外的正常结束；其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束。我们在实际编程
时，可以用wait系统调用接收子进程的返回值，从而针对不同的情况进行不同的处理。
关于wait的详细情况，我们将在以后的篇幅中进行介绍。
exit和_exit
作为系统调用而言，_exit和exit是一对孪生兄弟，它们究竟相似到什么程度，我们可以
从Linux的源码中找到答案：
#define __NR__exit __NR_exit /* 摘自文件include/asm-i386/unistd.h第334行 */
"__NR_"是在Linux的源码中为每个系统调用加上的前缀，请注意第一个exit前有2条下划
线，第二个exit前只有1条下划线。
这时随便一个懂得C语言并且头脑清醒的人都会说，_exit和exit没有任何区别，但我们
还要讲一下这两者之间的区别，这种区别主要体现在它们在函数库中的定义。_exit在L
inux函数库中的原型是：
#include<unistd.h>
void _exit(int status);
和exit比较一下，exit()函数定义在stdlib.h中，而_exit()定义在unistd.h中，从名字
上看，stdlib.h似乎比unistd.h高级一点，那么，它们之间到底有什么区别呢？让我们
先来看流程图，通过下图，我们会对这两个系统调用的执行过程产生一个较为直观的认
识。
从图中可以看出，_exit()函数的作用最为简单：直接使进程停止运行，清除其使用的内
存空间，并销毁其在内核中的各种数据结构；exit()函数则在这些基础上作了一些包装
，在执行退出之前加了若干道工序，也是因为这个原因，有些人认为exit已经不能算是
纯粹的系统调用。
exit()函数与_exit()函数最大的区别就在于exit()函数在调用exit系统调用之前要检查
文件的打开情况，把文件缓冲区中的内容写回文件，就是图中的"清理I/O缓冲"一项。
在Linux的标准函数库中，有一套称作"高级I/O"的函数，我们熟知的printf()、fopen(
)、fread()、fwrite()都在此列，它们也被称作"缓冲I/O（buffered I/O）"，其特征是
对应每一个打开的文件，在内存中都有一片缓冲区，每次读文件时，会多读出若干条记
录，这样下次读文件时就可以直接从内存的缓冲区中读取，每次写文件的时候，也仅仅
是写入内存中的缓冲区，等满足了一定的条件（达到一定数量，或遇到特定字符，如换
行符和文件结束符EOF），再将缓冲区中的内容一次性写入文件，这样就大大增加了文件
读写的速度，但也为我们编程带来了一点点麻烦。如果有一些数据，我们认为已经写入
了文件，实际上因为没有满足特定的条件，它们还只是保存在缓冲区内，这时我们用_e
xit()函数直接将进程关闭，缓冲区中的数据就会丢失，反之，如果想保证数据的完整性
，就一定要使用exit()函数。
请看以下例程：
/* exit2.c */
#include<stdlib.h>
main()
{
printf("output begin
");
printf("content in buffer");
exit(0);
}
编译并运行：
$gcc exit2.c -o exit2
$./exit2
output begin
content in buffer
/* _exit1.c */
#include<unistd.h>
main()
{
printf("output begin
");
printf("content in buffer");
_exit(0);
}
编译并运行：
$gcc _exit1.c -o _exit1
$./_exit1
output begin
在Linux中，标准输入和标准输出都是作为文件处理的，虽然是一类特殊的文件，但从程
序员的角度来看，它们和硬盘上存储数据的普通文件并没有任何区别。与所有其他文件
一样，它们在打开后也有自己的缓冲区。
请读者结合前面的叙述，思考一下为什么这两个程序会得出不同的结果。相信如果您理
解了我前面所讲的内容，会很容易的得出结论。
在这篇文章中，我们对Linux的进程管理作了初步的了解，并在此基础上学习了getpid、
fork、exit和_exit四个系统调用。在下一篇文章中，我们将学习与Linux进程管理相关
的其他系统调用，并将作一些更深入的探讨。
--
我爱蓝水晶
※ 来源:·幽幽黄桷兰 bbs.cqupt.edu.cn·[FROM: BelovedGirl]
[回到开始]
[上一篇][下一篇]
荔园在线首页 友情链接：深圳大学 深大招生 荔园晨风BBS S-Term软件 网络书店