进程IO之 进程

一、进程相关概念

1.什么是进程

程序：静态的，编译好的可执行文件，存放在磁盘中的指令和数据的集合

进程：动态的，是程序的一次执行过程，是独立的可调度的任务

2.进程的特点

（1）对32位系统，系统会为每个进程分配0~4G的虚拟空间，其中，0~3G（用户空间）是每个进程独有的，3~4G（内核空间）是所有进程共有

      进程间通信：通过内核空间

(2)  CPU调度进程时会给进程分配时间片(几毫秒~十几毫秒)，当时间片用完后，cpu再进行其他进程的调度，实现进程的轮转，从而实现多任务的操作。(没有外界干预的情况下怎么调度进程是CPU随机分配的 )

（3）进程控制块task_struct(了解)

● 进程控制块pcb:包含描述进程的相关信息

● 进程标识PID：唯一的标识一个进程

                主要进程标识：

                进程号（PID: Process Identity Number）

                父进程号：（Parent Process ID: PPID）

● 进程用户

● 进程状态、优先级

● 文件描述符（记录当前进程打开的文件）

3.进程段

4.进程分类

 交互进程：该类进程是由shell控制和运行的。交互进程既可以在前台运行，也可以在后台运行。 该类进程经常与用户进行交互，需要等待用户的输入，当接收到用户的输入后，该类 进程会立刻响应，典型的交互式进程有：shell命令进程、文本编辑器等

批处理进程：该类进程不属于某个终端，它被提交到一个队列中以便顺序执行。

 5.进程状态

6. 进程状态切换

 7.进程相关命令

 补充：根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程先执行。

两种类型：

1.  非剥夺式（非抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理上运行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在进行的进程继续运行，直到由于其自身原因而主动让出处理机（任务完成或等待事件），才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。

2.  剥夺式（抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，若有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，则立即暂停正在运行的进程，将处理机分配给更重要或紧迫的进程。

二、进程函数接口

 #include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>

/*
功能：创建子进程

参数：无

返回值：   成功：父进程-->返回子进程进程号
                子进程-->返回0
           失败：父进程-->返回-1，并设置errno
                子进程并未创建

*/
pid_t fork(void);

fork函数特点：

1）子进程几乎拷贝了父进程的全部内容。包括代码、数据、系统数据段中的pc值、栈中的数据、父进程中打开的文件等；但它们的PID、PPID是不同的。

2）父子进程有独立的地址空间，互不影响；当在相应的进程中改变全局变量、静态变量，都互不影响。

3）若父进程先结束，子进程成为孤儿进程，被init进程收养，子进程变成后台进程。

4）若子进程先结束，父进程如果没有及时回收资源，子进程变成僵尸进程（要避免僵尸进程产生）

2.回收资源wait()

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/wait.h>

/*
功能：回收进程资源（是一个阻塞函数）

参数：子进程的退出状态，不接受子进程状态的话就将参数设为NULL

返回值：成功 ---> 返回子进程的进程号
        失败--->返回-1

*/

pid_t wait(int *wstatus);

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

/*
功能：回收进程资源（是一个阻塞函数）

参数： pid：>0  指定某一个子进程
            =-1 任意子进程
            =0  等待其组ID等于调用进程的组ID的任一子进程
            <-1  等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程
      status:子进程退出状态
      options：0 阻塞  WNOHANG 非阻塞

返回值： 成功：
        当options的值设置成 0时：
                  返回结束的子进程的进程号
        当options的值设置成WNOHANG时
                 若此时子进程已经结束，返回结束的子进程的进程号
                 若此时子进程已经结束，返回 0

        失败：
            返回-1

*/


pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

wait(NULL)   <==>  wait(-1,NULL,0)

3.结束进程exit()

参数：status是一个整型的参数，可以利用这个参数传递进程结束时的状态。
    通常0表示正常结束；
其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束

#include <stdlib.h>
void exit(int status);
功能：结束进程，刷新缓存

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
功能：结束进程，不刷新缓存

 常用：exit(0)

4.获取进程号getpid()

 #include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>

pid_t getpid(void);
功能：获取当前进程的进程号
pid_t getppid(void);
功能：获取当前进程的父进程号

在父进程中获取子进程的PID  ：通过fork()的返回值 

三、进程间通信 （IPC）

 1.通信方式介绍：

• 早期的进程间通信：无名管道（pipe） 有名管道（fifo）信号（signal）
• system V IPC:   共享内存 （share memory） 消息队列（message queue) 信号集（semaphore set）
• BSD: 套接字（socket）

2.无名管道

特点：

(1)  只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信

(2)  半双工的通信模式，具有固定的读端fd[0]和写端fd[1]。

(3)  无名管道可以看成是一种特殊的文件（实际是找不到这个文件的），对于它的读写可以使用文件IO如read、write函数进行操作。

(4)  管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道。

函数接口： 

int pipe(int fd[2])
功能：创建无名管道
参数：文件描述符 fd[0]：读端  fd[1]:写端
返回值：成功 0
       失败 -1

3.有名管道

特点：

1)  有名管道可以使互不相关的两个进程互相通信。

2)  有名管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中可见，但内容存放在内存中。但是读写数据不会存在文件中，而是在管道中，也就是内核空间中。

3)  进程通过文件IO来操作有名管道

4)  不支持如lseek() 操作

5)  有名管道遵循先进先出规则

 函数接口：

/*
功能：创健有名管道
参数：filename：有名管道文件名
       mode：权限
返回值：成功：0
       失败：-1，并设置errno号

*/


int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

4.信号

 kill -l  ：查看系统中的信号

kill -num PID ：给某个进程发信号

4.1概念：

• 信号是软件层面上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信模式。
• 信号可以直接进行用户空间进程和内核进程之间的交互，内核进程也可以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。
• 如果该进程当前并未处于执行态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程恢复执行再传递给它；如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

4.2信号的响应方式

• 忽略信号 ：对信号不做任何处理，但是有两个信号不能忽略：即SIGKILL及SIGSTOP。
• 捕捉信号：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数
• 执行缺省操作：Linux对每种信号都规定了默认操作

4.3信号种类

4.4函数接口

 （1）信号的发送kill()和挂起 pause()

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
/*
功能：信号发送
参数：pid：指定进程
   sig：要发送的信号
返回值：成功 0     
       失败 -1

*/

int kill(pid_t pid, int sig);

#include <signal.h>
/*
功能：进程向自己发送信号
参数：sig：信号
返回值：成功 0   
       失败 -1

*/

int raise(int sig);

       注意：     raise( sig )  <==> kill ( getpid() , sig )

#include <unistd.h>

/*

功能：用于将调用进程挂起(类似于死循环且不占用CPU资源)，直到收到被捕获处理的信号为止。

*/
int pause(void);

 注意：若程序中有使用signal的捕捉信号自定义函数处理时，pause接收到被捕获处理的信号以后会结束挂起

 （2）定时器alarm()

 #include <unistd.h>

/*
功能：在进程中设置一个定时器。当定时器指定的时间到了时，它就向进程发送SIGALARM信号。
参数：seconds：定时时间，单位为秒
返回值：如果调用此alarm()前，进程中已经设置了闹钟时间，则返回上一个闹钟时间的剩余时间，否则返回0。

*/
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

注意：

1）一个进程只能有一个闹钟时间。如果在调用alarm时已设置过闹钟时间，则之前的闹钟时间被新值所代替。

2）系统默认对SIGALRM(闹钟到点后内核发送的信号)信号的响应： 如果不对SIGALRM信号进行捕捉或采取措施，默认情况下，闹钟响铃时刻会退出进程(程序非正常结束，要注意刷新问题！！)。

3）常用操作：取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。

4）alarm是非阻塞函数

 （3）信号处理函数signal()

 #include <signal.h>

/*
功能：信号处理函数

参数：signum：要处理的信号
      handler：信号处理方式
          忽略信号 (SIG_IGN)
          执行默认操作 (SIG_DFL)
          捕捉信号并执行自定义操作 (自定义函数名)

返回值：成功：设置之前的信号处理方式
      失败：-1


*/

 sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

补充：

 sighandler_t  是一个 函数指针 的重命名 （该指针指向的函数是一个 无返回值，形参为一个整型的类型函数）

 typedef void (*sighandler_t)(int);  

5. 共享内存

5.1特点

5.2步骤

(1)  创建key值

(2)  创建或打开共享内存

(3)  映射共享内存到用户空间

(4)  撤销映射

(5)  删除共享内存

 5.3函数接口

（1）创建key值

使用pathname提供的文件的inode号和字符的ASCII码值通过某种计算方法得到key值

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
/*
功能：创建出来的具有唯一映射关系的一个key值，帮助操作系统用来标识一块共享内存
参数：
    Pathname：已经存在的可访问文件的名字
    Proj_id：一个字符（因为只用低8位,一个字符正好是8位）

返回值：成功：key值
      失败：-1


*/


key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

/*
功能：创建或打开共享内存
参数：
    key  键值
    size   共享内存的大小
    shmflg   IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777
返回值：成功  返回共享内存号 shmid
       出错或共享内存已存在    -1

*/

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

 注意：shmget() 出错或共享内存已存在都返回 -1，因此，要在容错判断中在加一次判断，使用系统定义的file exist错误号进行判断

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

/*
功能：映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问
参数：
    shmid   共享内存的id号
    shmaddr   一般为NULL，表示由系统自动完成映射
              如果不为NULL，那么有用户指定
    shmflg：SHM_RDONLY就是对该共享内存只进行读操作
                0     可读可写
返回值：成功：完成映射后的地址，
       出错：-1（地址）

*/

void  *shmat(int  shmid,const  void  *shmaddr,int  shmflg); 

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
/*
功能：取消映射
参数：要取消的地址
返回值：成功0  
      失败的-1

*/

int shmdt(const void *shmaddr);

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
/*

功能：(删除共享内存)，对共享内存进行各种操作
参数：
    shmid   共享内存的id号
    cmd     IPC_STAT 获得shmid属性信息，存放在第三参数
            IPC_SET 设置shmid属性信息，要设置的属性放在第三参数
            IPC_RMID:删除共享内存，此时第三个参数为NULL即可
    buf    shmid所指向的共享内存的地址,空间被释放以后地址就赋值为null
返回：成功0 
     失败-1

*/


int  shmctl(int  shmid,int  cmd,struct shmid_ds *buf); 

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：创建/打开信号灯
参数：key：ftok产生的key值
    nsems：信号灯集中包含的信号灯数目
    semflg：信号灯集的访问权限，通常为IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666
返回值：成功：信号灯集ID
       失败：-1
       
int semctl ( int semid, int semnum,  int cmd…/*union semun arg*/);
功能：信号灯集合的控制（初始化/删除）
参数：semid：信号灯集ID
    semnum: 要操作的集合中的信号灯编号，信号灯编号从0开始
     cmd： 
        GETVAL：获取信号灯的值，返回值是获得值
        SETVAL：设置信号灯的值，需要用到第四个参数：共用体
        IPC_RMID：从系统中删除信号灯集合
返回值：成功 0
      失败 -1
用法：
1. 初始化信号灯集：
需要自定义共用体
union semun{
    int val;
} mysemun;
mysemun.val = 10;
semctl(semid, 0, SETVAL, mysemun);

2. 获取信号灯值：函数semctl(semid, 0, GETVAL)的返回值
3. 删除信号灯集：semctl(semid, 0, IPC_RMID);


int semop ( int semid, struct sembuf  *opsptr,  size_t  nops);
功能：对信号灯集合中的信号量进行PV操作
参数：semid：信号灯集ID
     opsptr:操作方式
     nops:  要操作的信号灯的个数 1个
返回值：成功 ：0
      失败：-1
struct sembuf {
   short  sem_num; // 要操作的信号灯的编号
   short  sem_op;  //    0 :  等待，直到信号灯的值变成0
                   //   1  :  释放资源，V操作
                   //   -1 :  申请资源，P操作                    
    short  sem_flg; // 0（阻塞）,IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};

用法：
申请资源 P操作：
    mysembuf.sem_num = 0;
    mysembuf.sem_op = -1;
    mysembuf.sem_flg = 0;
    semop(semid, &mysembuf, 1);
释放资源 V操作：
    mysembuf.sem_num = 0;
    mysembuf.sem_op = 1;
    mysembuf.sem_flg = 0;
    semop(semid, &mysembuf, 1);

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/*
功能：创建或打开一个消息队列
参数：  key值
       flag：创建消息队列的权限IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666
返回值：成功：msgid
       失败：-1

*/

int msgget(key_t key, int flag);

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/*
功能：添加消息
参数：msqid：消息队列的ID
      msgp：指向消息的指针。常用消息结构msgbuf如下：
          struct msgbuf{
            long mtype;          //消息类型
            char mtext[N]}；     //消息正文
   size：发送的消息正文的字节数
   flag：IPC_NOWAIT消息没有发送完成函数也会立即返回    
         0：直到发送完成函数才返回 (阻塞等待)
返回值：成功：0
      失败：-1

*/


 int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/*
功能：读取消息
参数：msgid：消息队列的ID

     msgp：存放读取消息的空间

     size：接受的消息正文的字节数(sizeof(msgp)-sizeof(long))

     msgtype：
            0：接收消息队列中第一个消息。
            大于0：接收消息队列中第一个类型为msgtyp的消息.
            小于0：接收消息队列中类型值不小于msgtyp的绝对值且类型值又最小的消息。

     flag：
           0：若无消息函数会一直阻塞
           IPC_NOWAIT：若没有消息，进程会立即返回ENOMSG

返回值：成功：接收到的消息的长度
        失败：-1



*/


 ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/*
功能：对消息队列的操作，删除消息队列
参数：msqid：消息队列的队列ID
     cmd：
        IPC_STAT：读取消息队列的属性，并将其保存在buf指向的缓冲区中。
        IPC_SET：设置消息队列的属性。这个值取自buf参数。
        IPC_RMID：从系统中删除消息队列。
     buf：消息队列缓冲区
返回值：成功：0
      失败：-1
*/

int msgctl ( int msgqid, int cmd, struct msqid_ds *buf );