《LINUX进程编程》课件

Linux进程编程本课程旨在帮助您深入了解Linux进程编程，并学习如何使用系统调用来创建、管理和控制进程。我们将探索进程的生命周期、进程间通信、信号、线程等关键概念。本课程大纲11.进程基础了解进程的概念、状态和基本操作，如创建、终止、切换等。22.进程通信学习进程间通信（IPC）机制，包括管道、消息队列、共享内存等。33.线程编程掌握线程的概念、创建、同步和互斥等技术，提升程序性能。44.进程管理深入理解进程管理机制，包括守护进程、僵尸进程、孤儿进程等。什么是进程进程是计算机操作系统中分配资源的基本单位。它是正在运行的程序的实例，包含程序代码、数据、堆栈和系统资源等信息。每个进程都拥有独立的地址空间，保证了进程之间相互隔离，不会互相影响。进程是一个动态实体，拥有自己的生命周期，可以创建、终止、暂停和恢复。进程的状态运行状态进程正在执行指令，占用CPU资源。进程处于活动状态，可以立即执行。就绪状态进程已经准备好执行，但需要等待CPU资源。一旦CPU空闲，进程将立即进入运行状态。阻塞状态进程正在等待某个事件，如I/O操作完成或信号到来。进程处于非活动状态，无法执行。终止状态进程已经完成执行，不再占用系统资源。进程处于结束状态，无法再被执行。进程的创建调用系统调用使用`fork()`函数创建子进程，调用`exec()`函数加载新的程序。分配资源子进程继承父进程的一部分资源，包括文件描述符、信号处理程序和环境变量。创建进程控制块为新创建的子进程创建一个进程控制块(PCB)，存储进程相关信息，例如进程ID、状态和内存地址。启动执行子进程开始执行其程序，进程创建完成。进程的终止Linux进程终止是指停止一个进程的运行。进程终止后，其所有资源都会被释放。1正常终止进程执行完毕或收到结束信号2异常终止收到致命信号或发生错误3强制终止管理员或其他用户强制终止进程进程可以通过多种方式终止，包括正常终止、异常终止和强制终止。正常终止指进程执行完毕或收到结束信号后自行终止。异常终止指进程收到致命信号或发生错误后终止。强制终止指管理员或其他用户强制终止进程。进程的切换1调度器选择下一个运行的进程，通过时间片轮转，优先级调度等算法。2上下文切换保存当前进程状态，加载下一个进程状态，切换CPU运行状态。3切换过程内核会记录进程状态，包括内存映射，寄存器状态，CPU信息等。这些信息在切换时保存和加载。进程的控制暂停进程使用SIGSTOP信号暂停进程，使用SIGCONT信号恢复进程。设置优先级通过nice命令或sched_setscheduler函数修改进程优先级，影响进程调度。发送信号通过kill命令或kill函数发送信号通知进程，实现进程控制。进程的通信概念进程通信是多个进程之间交换数据的方式。每个进程拥有独立的内存空间，无法直接访问其他进程的数据。必要性在多进程环境中，进程之间需要进行信息传递和资源共享，以协同工作完成任务。重要性进程通信机制是多进程编程的关键，决定了进程间协作的效率和复杂度。进程间通信IPC进程间通信进程间通信（IPC）是不同进程间交换数据的机制。进程是操作系统资源分配和调度的基本单位，而IPC允许不同进程共享数据和资源，从而实现协作和信息传递。IPC的作用IPC在现代操作系统中至关重要。它使不同进程之间能够相互通信，实现资源共享，协同工作。IPC在网络通信、多媒体应用、并发编程等领域都有着广泛的应用。共享内存共享内存段进程间共享的内存空间，不需要内核复制数据效率最快的IPC方式，数据共享无需内核介入同步机制需要同步机制确保数据的一致性和完整性键值对系统通过键值对来管理共享内存段消息队列1数据结构消息队列是一种先进先出（FIFO）数据结构。它允许进程间通过发送和接收消息来进行通信。2异步通信发送消息的进程不需要等待接收进程接收消息，可以继续执行其他任务。3消息队列类型消息队列可以分为系统消息队列和用户自定义消息队列两种类型。4常见应用场景消息队列在异步任务处理，系统间通信，以及多线程编程中都扮演着重要角色。管道单向数据流管道是一种简单的进程间通信方式，数据只能从一个方向流动，父进程可以向子进程写入数据，子进程可以从父进程读取数据。无名管道无名管道是通过管道文件来实现的，只能在有亲缘关系的进程间使用，比如父子进程或者兄弟进程之间。有名管道有名管道是通过文件系统来实现的，它可以用于任何进程间通信，即使是没有任何亲缘关系的进程之间。应用场景管道可以用来实现进程间的数据传递，例如父进程将数据传递给子进程，子进程将数据传递给父进程。信号信号概述信号是进程间通信方式之一。它是一种异步事件，能够中断程序执行，并改变进程的行为。信号机制允许一个进程向另一个进程发送信号，以便通知或影响目标进程的运行状态。信号类型终止信号停止信号继续信号其它信号文件锁同步访问文件锁机制确保多个进程对同一文件的访问不会互相干扰，防止数据一致性问题。锁类型文件锁分为独占锁和共享锁，独占锁允许单个进程对文件进行修改，而共享锁允许多个进程同时读取文件。实现方式文件锁通常通过系统调用来实现，例如fcntl()函数和flock()函数，它们允许程序申请和释放文件锁。线程简介线程是进程中执行的基本单元。一个进程可以包含多个线程，每个线程可以独立地执行。线程共享进程的内存空间，但拥有独立的栈和寄存器。线程的创建1创建线程使用pthread_create函数2分配资源线程创建后，系统会为其分配独立的栈空间和寄存器3执行函数线程启动后，执行用户指定的线程函数创建线程是使用pthread_create函数实现的。该函数需要传入线程属性、线程函数指针、线程函数参数以及线程ID指针。在成功创建线程后，线程会开始执行用户指定的线程函数，并在自己的栈空间上运行。线程的终止1线程函数返回线程函数执行完毕后，自动退出。2pthread_exit线程主动调用，退出线程。3线程取消其他线程发起取消请求，终止目标线程。4进程终止当进程被终止时，所有线程也被终止。线程的终止方式主要包括四种：线程函数返回，pthread_exit，线程取消，进程终止。在实际应用中，需要根据具体的场景选择合适的终止方式，确保程序的正确性和稳定性。线程的同步同步机制多个线程共享资源时，需要同步机制以确保数据一致性和程序正确性。例如，多个线程同时访问共享变量，可能导致数据被意外修改。同步目的协调线程之间的执行顺序，避免资源竞争和数据冲突。保证共享资源在任何时刻只有一个线程访问，以确保数据的一致性和程序的正确性。互斥锁互斥锁保护共享资源，防止多个线程同时访问。加锁线程想要访问共享资源时，必须先获取锁，否则无法访问。解锁线程访问完共享资源后，必须释放锁，允许其他线程访问。条件变量11.等待与通知条件变量允许多个线程等待共享资源状态，并在状态发生变化时通知等待线程。22.互斥锁配合条件变量通常与互斥锁配合使用，以确保对共享资源的访问安全。33.避免竞争条件条件变量可以有效地协调线程之间的交互，防止因竞争条件导致的错误。读写锁读写锁读写锁允许多个读者同时访问共享资源，但一次只允许一个写入者访问。读者优先读写锁通常优先考虑读者，以提高并发性。写者阻塞写入者必须等待所有读者完成读取后才能获得锁。应用场景读写锁适用于读操作比写操作更频繁的场景，例如数据库读取和写入操作。自旋锁忙等待自旋锁是一种忙等待锁，线程不断循环检查锁状态，直到获得锁为止。低开销自旋锁适用于锁持有时间短、竞争不激烈的场景，可以避免线程上下文切换的开销。临界区保护自旋锁用于保护临界区资源，确保同一时间只有一个线程可以访问临界区。定时器计时器定时器是系统中用于设定特定时间段执行操作的机制，通常用于执行周期性任务或延时操作。时间管理通过定时器，可以精确控制程序执行时间，提高系统效率和资源利用率。事件触发定时器还可以用于响应特定的事件，例如，当系统空闲时执行后台任务。守护进程后台运行守护进程在后台运行，不与用户交互。系统服务守护进程通常用于提供系统服务，例如网络服务、打印服务等。独立运行守护进程独立于终端运行，即使用户退出登录，守护进程依然运行。僵尸进程定义僵尸进程是指已经终止但其父进程没有回收其资源的进程。原因父进程在子进程终止后，没有调用wait()或waitpid()函数来获取子进程的退出状态。影响僵尸进程会占用系统资源，例如进程描述符，并可能导致系统性能下降。解决方法父进程应及时调用wait()或waitpid()函数回收子进程的资源。孤儿进程定义孤儿进程是指父进程终止，但子进程仍在运行的进程。孤儿进程的父进程ID将被设置为1，即init进程。特点孤儿进程由init进程收养。init进程会负责回收孤儿进程的资源。孤儿进程不会对系统造成直接的威胁。资源限制1用户资源限制限制用户进程能够使用的资源，如内存、CPU时间、文件描述符数量等。2系统资源限制限制整个系统所能使用的资源，如最大进程数、最大文件数等。3进程资源限制限制单个进程所能使用的资源，如内存、CPU时间、文件描述符数量等。进程间继承进程资源继承子进程从父进程继承大部分资源，例如打开的文件、信号处理程序和环境变量等。但也有例外，例如进程ID会重新分配，以确保唯一性。进程状态继承子进程继承父进程的信号屏蔽字和信号处理函数，这些信息决定了子进程对信号的响应方式，影响子进程的执行过程。进程间控制信号信号是进程间通信的一种方式，允许一个进程向另一个进程发送信号，以通知它发生了一些事件。系统调用系统调用是进程与操作系统之间的接口，通过系统调用，进程可以控制其他进程，例如终止、挂