1、Unix程序設計基礎PPT課件Unix程序設計基礎 第二講Unix程序設計基礎PPT課件上一講回顧n80386 CPU介紹n實模式與保護模式n特權級別n分段與分頁n系統調用原理n軟中斷引起特權級別的切換nint 80hn被封裝成一組C函數Unix程序設計基礎PPT課件上一講回顧nUnix下對文件與設備的操作n文件描述字n設備文件n文件操作系統調用n打開，創建，關閉文件n文件訪問權限n讀寫文件n文件定位Unix程序設計基礎PPT課件操作系統的重要概念：進程n什么是進程？nUnix下的進程nUnix下的多進程編程n進程控制n信號處理n進程間通信n特殊的進程：線程Unix程序設計基礎PPT課件什么是

2、進程？幾個定義：nAPUE: An executing instance of a program is called a process.n不準確：程序一次運行可以創建多個進程n實質上根本不對：在Unix下程序的運行并不產生一個新進程n我的定義：進程是具有獨立地址空間的運行單位Unix程序設計基礎PPT課件“獨立地址空間”很重要nUnix使用flat address，以32位系統為例，地址范圍從0 x0-0 xffffffff。任何地址都是虛擬地址，要通過頁面映射才能得到物理地址，這個過程對進程來說是透明的，進程看到的都是虛擬地址。n“獨立地址空間”是指各個進程都有自己的虛擬地址空間（在Li

3、nux下為0 x0-0 xbfffffff），而且任何進程都只能訪問到自已經的虛擬地址空間。Unix程序設計基礎PPT課件進程的并發性n宏觀上，所有進程都是并發運行的。n微觀上，除非是多處理器，否則不可能有兩個進程在同時運行。具體方法是時間片輪轉：一個進程運行一個時間片，就把CPU讓出來讓另一個進程運行。因為時間片很小，所以用戶看起來所有進程都在運行。n任何兩個不相關的進程其推進速度可能是任意的。Unix程序設計基礎PPT課件并發帶來的好處與挑戰n很明顯好處：可以讓多個用戶分享CPU。對單用戶而言，也可同時運行多個程序，如一邊上網一邊QQ。n更深層次的好處：充分利用CPU資源。n當一個進程在等

4、待數據時（從網絡，外部設備等），其它進程可占用CPU。Unix程序設計基礎PPT課件并發帶來的好處與挑戰n挑戰：并不是所有的事情都可以同時做。n兩個進程同時寫一個文件，對于普通文件，文件某一個位置上的內容是最后一次寫入的結果。好像還不太糟。n但如果這個文件是一臺打印機那將會怎么樣？可以想像打印出來的東西將不是任何一個進程想得到的。n數據的不一致性。Unix程序設計基礎PPT課件數據的不一致性n例：多個進程通過共享內存通信（一種進程間通信方式，與地址空間獨立性無關），共享一塊物理地址。每個進程都通過int *p映射到這塊物理地址。進程每次獲取一個網頁，調用*p=*p1。最后*p的值就是多個進程獲

5、取到的網頁總合。Unix程序設計基礎PPT課件數據的不一致性n進程1nmov eax, pninc eaxnmov p, eaxn進程2nmov eax, pninc eaxnmov p, eax結果不是我們想要的，*p只被加了1！Unix程序設計基礎PPT課件數據的不一致性n因為*p是共享資源，因此對它寫操作應該是互斥的。訪問文件也是類似。n在編寫多進程或多線程程序時應當特別注意。Unix程序設計基礎PPT課件Unix下的進程n五種基本狀態n新建進程正在被創建n就緒進程正在等待被調度n運行進程正占用CPUn睡眠（阻塞）進程正在等待一個事件，例如I/On僵死進程已經結束，正在等待釋放資源$ p

6、s guax查看系統中的所有進程的詳細情況Unix程序設計基礎PPT課件狀態之間的轉換Unix程序設計基礎PPT課件進程ID與進程間的關系nUNIX系統中所有進程都有一個唯一的，稱為進程標識的正整數與之相聯，稱為進程ID，簡稱PID。n除了init進程（PID=1，所有進程的祖先），任一進程都有唯一的父進程。n若干進程可以屬于一個進程組，進程組也有一個唯一進程組ID。Unix程序設計基礎PPT課件Unix下的多進程編程 分三個部分1、進程控制2、信號處理3、進程間通信（IPC)Unix程序設計基礎PPT課件進程控制n進程創建fork 函數原型：#include pid_t fork(void)

7、;UNIX下最優美的函數。pid_t是一個unisigned int，是進程號對應的數據類型Unix程序設計基礎PPT課件進程創建 “fork”的意思就是一分為二，把當前進程復制出一個新的進程。當前的進程就是新進程的父進程，新進程稱為子進程。 fork把子進程ID返回給父進程，把0返回給子進程，通過對返回值的檢查就可知道當前是父進程還是子進程。看看下面的例子就明白我在說什么。Unix程序設計基礎PPT課件#include #include #include int main(void) pid_t pid; if (pid = fork() 0) printf(“I am the parent

8、, my pid = %u, my childs pid = %un”, getpid(), pid); else if (pid = 0) printf(“I am the child, my pid = %u, my parents pid = %un”, getpid(), getppid(); else perror(“fork”); return 1; return 0;Unix程序設計基礎PPT課件進程創建n一般結構： if (pid = fork() 0)parents code; else if (pid = 0)childs code; elseerror handling;

9、n父進程打開的文件描述字將被子進程繼承。Unix程序設計基礎PPT課件進程創建n獲得當前進程id: getpid獲得父進程id: getppid函數原型：#include pid_t getpid(void);pid_t getppid(void);Unix程序設計基礎PPT課件執行一個新程序n執行程序系統調用execve函數原型：#include int execve(const char *path, const char *argv, const char *envp);Unix還提供其它幾個執行程序函數，execl，execlp，execle，execv，execvp都不是系統調用，依

10、賴于execve。Unix程序設計基礎PPT課件執行一個新程序npath，執行的文件nargv，參數表nenvp，環境變量表，一般直接用environ就行如：char *argv = “gcc”, “-g”, “-c”, “rbtree.c”, NULL;execve(“/usr/bin/gcc”, argv, environ);Unix程序設計基礎PPT課件執行一個新程序 execve啟動一個新的程序，新的地址空間完全覆蓋當前進程的地址空間，但當前進程把開的文件描述字（除非特別設置），當前工作目錄等將被繼承。 execve只返回負值表示調用失敗，如果成功的話將永不返回。Unix程序設計基礎P

11、PT課件shell執行程序的原理 敲入命令： $ ps shell進程到底做了什么事？ 1、等待用戶輸入 （等待I/O，睡眠狀態） 2、獲得輸入ps 3、fork()；子進程把自己放到前臺，并調用execve(“ps”, )；父進程把子進程放入前臺，并等待子進程結束（父進程進入睡眠狀態 ） 4、子進程結束，父進程得到子進程的結束狀態信息，并把自己放到前臺，回到1。Unix程序設計基礎PPT課件shell執行程序的原理n由此可以看出，進程被創建的原因是因為fork被調用，而execve只是把當前進前的地址空間替換成新程序的地址空間。因此，不能說“進程是程序的一次執行”，“程序的執行”只是地址空間

12、的替換。n思考: 在3中為什么既要父進程把子進程放到前臺，又要子進程把自己放到前臺？n有興趣的話可以自己編寫一個shell。Unix程序設計基礎PPT課件等待進程完成n子進程運行結束后（正常或異常），它并沒有馬上從系統的進程分配表中被刪掉，而是進入僵死狀態（Zombie），一直等到父進程來回收它的結束狀態信息。n如果父進程沒有回收走子進程的結束狀態就已經退出，子進程將永遠處于僵死狀態；也有例外，如父進程先于子進程結束，子進程將被init進程繼承，并回init進程回收其結束狀態信息。Unix程序設計基礎PPT課件等待進程完成n回收子進程結束狀態信息wait, waitpid 函數原型：#incl

13、ude pid_t wait(int *stat_loc);pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);Unix程序設計基礎PPT課件等待進程完成 當進程調wait，它將進入睡眠狀直到有一個子進程結束。wait函數返回子進程的進程id，stat_loc中返回子進程的退出狀態。 waitpid的第一個參數pid的意義： pid 0: 等待進程id為pid的子進程。 pid = 0: 等待與自己同組的任意子進程。 pid = -1: 等待任意一個子進程 pid 0) parents code; wait(); else if (pid

14、= 0) childs code;else error handling;return xxx;Unix程序設計基礎PPT課件信號處理n概念：信號是Unix操作系統用來通知進程發生了某種事件的一種手段。nUnix程序設計教程：信號也稱為軟中斷。n注意與上節課中講的軟中斷區分。n事件的種類包括：程序錯誤類，程序中止類，鬧鐘類，I/O類，作業控制類，操作錯誤類，其它n在/usr/include/asm/signal.h中列出所有的信號名（SIGxxx）。Unix程序設計基礎PPT課件信號處理n當進程接收到一個信號（可能是自己發出，也可能是別的有權限的進程發出），它可以采取的動作可以是下面任意一種：

15、n忽略信號：SIGSTOP與SIGKILL除外。n捕獲信號：當信號出現時調用專門提供的一個函數，這個函數稱為信號號柄。SIGSTOP與SIGKILL除外。n執行信號的默認動作。Unix程序設計基礎PPT課件幾個常見的信號nSIGINT: 前臺程序執行過程中按下Ctrl-c就會向它發出SIGINT信號，默認動作終止進程。nSIGKILL: 立即中止進程，不能被捕獲或忽略。nSIGTERM: kill命令默認的中止程序信號。nSIGQUIT: Ctrl-發出的信號，默認動作終止進程并生成core文件。nSIGALRM: 定時器到期，可用alarm函數來設置定時器。默認動作終止進程。Unix程序設計

16、基礎PPT課件幾個常見的信號nSIGCHLD: 子進程終止或停止，默認動作為忽略。nSIGSTOP: 停止進程。不可忽略或捕獲。nSIGCONT: 繼續被停止進程。不可忽略。nSIGTSTP: Ctrl-z向程序發出的停止信號。nSIGUSR1、SIGUSR2: 程序可利用信號。默認動作終止進程。Unix程序設計基礎PPT課件設置信號動作系統調用n設置信號動作signal，sigaction。 函數原型： #include void (*signal(int sig, void (*func)(int)(int); int sigaction(int sig, const struct sig

17、action *act, struct sigaction *oact); signal函數的聲明有點復雜，解釋一下怎么看這數據的定義與聲明。Unix程序設計基礎PPT課件設置信號動作系統調用 從數據的名字開始，在這里是signal，向右看，是”(“，說明它是一個函數，括號內為參數列表；再向左看，是一個”*”，說明它的返回值是一個指針；再向右看，看到”(“，說明該指針指向一個函數，括號內為參數表。再向左看這個函數的返回值，是void。結束。基本方法就是右左右左 再來一個復雜點的。Unix程序設計基礎PPT課件設置信號動作系統調用typedef int (*(*(*fp)(void *)10)

18、(int);定義fp為一個指針類型，指一個函數，其返參數表是(void *)，返回一個指向數組的指針，數組有10個元素，元素類型是一個指針，指向一個函數，其參數列表為(int )，返回值是int。Has a try: 聲明一個數組，包括10個元素，每個元素是一個指針，指向一個函數，其參數列表為(int)，返回值是指針，指向一個有10個元素的數組，元素類型是指針，指向另一個指針，這個指針指向fp型（上面定義好的那個）。Unix程序設計基礎PPT課件設置信號動作系統調用n繼續講signal函數。第一個參數sig是要設定動作的信號名，如SIGALRM，第二個參數func是接收到這個信號是要執行的動作

19、。func可以是SIG_DEL，SIG_IGN，分別表示默認動作與忽略，也可以是自定義的參數表(int)，返回值int的函數。signal成功返回原來的信號處理函數，失敗返回SIG_ERR。看下面例子。Unix程序設計基礎PPT課件#include #include static int flag = 0;static void sig_alrm(int signo) flag = 1;int main(void) if (signal(SIGALRM, sig_alrm) = SIG_ERR) perror(“signal”); exit(1); alarm(10); pause(); if

20、 (flag) printf(“SIGALRM receivedn”); return 0;Unix程序設計基礎PPT課件設置信號動作系統調用n上面的程序雖然很短但卻引出來很多問題。先解釋一下幾個系統調用。 設置定時器alarm，函數原型： #include unsigned int alarm(unsigned int seconds); 在seconds秒后對本進程發送一個SIGALRM信號。一般情況下返回0；如果已經有一個定時器被設置且還沒有到時間，否返回上一個定時器剩余的時間。Unix程序設計基礎PPT課件設置信號動作系統調用 示例中的另一個調用pause，以及一個相似的庫函數slee

21、p #include int pause(void); int sleep(unsigned int seconds); sleep讓進程睡眠seconds秒，pause讓進程永遠睡眠。如果在睡眠過程中被信號打斷，它們將返回-1。Unix程序設計基礎PPT課件設置信號動作系統調用 例子中的兩個語句： alarm(10); pause(); 的意義就是暫停10秒。10秒后pause()被SIGALRM打斷，返回-1，進程繼續運行。信號SIGALRM的handler把flags設為1并且返回，于是main知道是被SIGALRM信號中斷，打印出”SIGALRM received”。Unix程序設計基

22、礎PPT課件不可重入函數n為什么不在SIGALRM的handler（即函數sig_alrm）里調用printf? 這就引出了不可重入函數的概念。不可重入函數是指這樣的一類函數，不可以在它還沒有返回就再次被調用。例如printf，malloc，free等都是不可重入函數。因為信號可能在任何時候發生，例如在printf執行過程中，因此不能在信號處理函數里調用printf，否則printf將會被重入。Unix程序設計基礎PPT課件不可重入函數n函數不可重入大多數是因為在函數中引用了全局變量。例如，printf會引用全局變量stdout，malloc，free會引用全局的內存分配表。仔細體會不難發現這

23、與前面說到多進程下的數據不一致性很相似，都是對共享數據的相斥訪問問題。Unix程序設計基礎PPT課件這個例子是否存在問題？ alarm(10); pause(); 前面說到，進程的推進速度可能是任意的，如果執行完alarm，進程的時間片正好用完；過了十幾秒之后才又輪到這個進程運行，會怎么樣？ 結果是，pause在接收到信號之后才被調用。也就是說sig_alrm執行完返回pause()才被調用，結果是進程永久的睡眠（除非它再收到別的信號）。 雖然這種情況幾乎不可能發生，但我們還是應該避免這種潛在的錯誤。Unix程序設計基礎PPT課件下次課的內容n信號處理（續）n進程間通信（IPC）n線程的簡單介

24、紹n高級I/On其它我認為有趣的 Thanks!Unix程序設計基礎PPT課件%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#p

25、XlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-

26、w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H

27、6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8J8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWk

28、ThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&

29、amp;s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D

30、1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRg

31、OcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZ

32、oWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C

33、0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNe

34、NbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qY

35、mVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x

36、+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7I7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1