Linux進(jìn)程編程本課程旨在幫助您深入了解Linux進(jìn)程編程，并學(xué)習(xí)如何使用系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建、管理和控制進(jìn)程。我們將探索進(jìn)程的生命周期、進(jìn)程間通信、信號、線程等關(guān)鍵概念。本課程大綱11.進(jìn)程基礎(chǔ)了解進(jìn)程的概念、狀態(tài)和基本操作，如創(chuàng)建、終止、切換等。22.進(jìn)程通信學(xué)習(xí)進(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制，包括管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存等。33.線程編程掌握線程的概念、創(chuàng)建、同步和互斥等技術(shù)，提升程序性能。44.進(jìn)程管理深入理解進(jìn)程管理機(jī)制，包括守護(hù)進(jìn)程、僵尸進(jìn)程、孤兒進(jìn)程等。什么是進(jìn)程進(jìn)程是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中分配資源的基本單位。它是正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，包含程序代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和系統(tǒng)資源等信息。每個(gè)進(jìn)程都擁有獨(dú)立的地址空間，保證了進(jìn)程之間相互隔離，不會互相影響。進(jìn)程是一個(gè)動態(tài)實(shí)體，擁有自己的生命周期，可以創(chuàng)建、終止、暫停和恢復(fù)。進(jìn)程的狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程正在執(zhí)行指令，占用CPU資源。進(jìn)程處于活動狀態(tài)，可以立即執(zhí)行。就緒狀態(tài)進(jìn)程已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行，但需要等待CPU資源。一旦CPU空閑，進(jìn)程將立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。阻塞狀態(tài)進(jìn)程正在等待某個(gè)事件，如I/O操作完成或信號到來。進(jìn)程處于非活動狀態(tài)，無法執(zhí)行。終止?fàn)顟B(tài)進(jìn)程已經(jīng)完成執(zhí)行，不再占用系統(tǒng)資源。進(jìn)程處于結(jié)束狀態(tài)，無法再被執(zhí)行。進(jìn)程的創(chuàng)建調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用使用`fork()`函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，調(diào)用`exec()`函數(shù)加載新的程序。分配資源子進(jìn)程繼承父進(jìn)程的一部分資源，包括文件描述符、信號處理程序和環(huán)境變量。創(chuàng)建進(jìn)程控制塊為新創(chuàng)建的子進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程控制塊(PCB)，存儲進(jìn)程相關(guān)信息，例如進(jìn)程ID、狀態(tài)和內(nèi)存地址。啟動執(zhí)行子進(jìn)程開始執(zhí)行其程序，進(jìn)程創(chuàng)建完成。進(jìn)程的終止Linux進(jìn)程終止是指停止一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行。進(jìn)程終止后，其所有資源都會被釋放。1正常終止進(jìn)程執(zhí)行完畢或收到結(jié)束信號2異常終止收到致命信號或發(fā)生錯(cuò)誤3強(qiáng)制終止管理員或其他用戶強(qiáng)制終止進(jìn)程進(jìn)程可以通過多種方式終止，包括正常終止、異常終止和強(qiáng)制終止。正常終止指進(jìn)程執(zhí)行完畢或收到結(jié)束信號后自行終止。異常終止指進(jìn)程收到致命信號或發(fā)生錯(cuò)誤后終止。強(qiáng)制終止指管理員或其他用戶強(qiáng)制終止進(jìn)程。進(jìn)程的切換1調(diào)度器選擇下一個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，優(yōu)先級調(diào)度等算法。2上下文切換保存當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)，加載下一個(gè)進(jìn)程狀態(tài)，切換CPU運(yùn)行狀態(tài)。3切換過程內(nèi)核會記錄進(jìn)程狀態(tài)，包括內(nèi)存映射，寄存器狀態(tài)，CPU信息等。這些信息在切換時(shí)保存和加載。進(jìn)程的控制暫停進(jìn)程使用SIGSTOP信號暫停進(jìn)程，使用SIGCONT信號恢復(fù)進(jìn)程。設(shè)置優(yōu)先級通過nice命令或sched_setscheduler函數(shù)修改進(jìn)程優(yōu)先級，影響進(jìn)程調(diào)度。發(fā)送信號通過kill命令或kill函數(shù)發(fā)送信號通知進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程控制。進(jìn)程的通信概念進(jìn)程通信是多個(gè)進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)的方式。每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間，無法直接訪問其他進(jìn)程的數(shù)據(jù)。必要性在多進(jìn)程環(huán)境中，進(jìn)程之間需要進(jìn)行信息傳遞和資源共享，以協(xié)同工作完成任務(wù)。重要性進(jìn)程通信機(jī)制是多進(jìn)程編程的關(guān)鍵，決定了進(jìn)程間協(xié)作的效率和復(fù)雜度。進(jìn)程間通信IPC進(jìn)程間通信進(jìn)程間通信（IPC）是不同進(jìn)程間交換數(shù)據(jù)的機(jī)制。進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配和調(diào)度的基本單位，而IPC允許不同進(jìn)程共享數(shù)據(jù)和資源，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)作和信息傳遞。IPC的作用IPC在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中至關(guān)重要。它使不同進(jìn)程之間能夠相互通信，實(shí)現(xiàn)資源共享，協(xié)同工作。IPC在網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體應(yīng)用、并發(fā)編程等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。共享內(nèi)存共享內(nèi)存段進(jìn)程間共享的內(nèi)存空間，不需要內(nèi)核復(fù)制數(shù)據(jù)效率最快的IPC方式，數(shù)據(jù)共享無需內(nèi)核介入同步機(jī)制需要同步機(jī)制確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性鍵值對系統(tǒng)通過鍵值對來管理共享內(nèi)存段消息隊(duì)列1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)消息隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它允許進(jìn)程間通過發(fā)送和接收消息來進(jìn)行通信。2異步通信發(fā)送消息的進(jìn)程不需要等待接收進(jìn)程接收消息，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。3消息隊(duì)列類型消息隊(duì)列可以分為系統(tǒng)消息隊(duì)列和用戶自定義消息隊(duì)列兩種類型。4常見應(yīng)用場景消息隊(duì)列在異步任務(wù)處理，系統(tǒng)間通信，以及多線程編程中都扮演著重要角色。管道單向數(shù)據(jù)流管道是一種簡單的進(jìn)程間通信方式，數(shù)據(jù)只能從一個(gè)方向流動，父進(jìn)程可以向子進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)，子進(jìn)程可以從父進(jìn)程讀取數(shù)據(jù)。無名管道無名管道是通過管道文件來實(shí)現(xiàn)的，只能在有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用，比如父子進(jìn)程或者兄弟進(jìn)程之間。有名管道有名管道是通過文件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，它可以用于任何進(jìn)程間通信，即使是沒有任何親緣關(guān)系的進(jìn)程之間。應(yīng)用場景管道可以用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳遞，例如父進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳遞給子進(jìn)程，子進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳遞給父進(jìn)程。信號信號概述信號是進(jìn)程間通信方式之一。它是一種異步事件，能夠中斷程序執(zhí)行，并改變進(jìn)程的行為。信號機(jī)制允許一個(gè)進(jìn)程向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送信號，以便通知或影響目標(biāo)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)。信號類型終止信號停止信號繼續(xù)信號其它信號文件鎖同步訪問文件鎖機(jī)制確保多個(gè)進(jìn)程對同一文件的訪問不會互相干擾，防止數(shù)據(jù)一致性問題。鎖類型文件鎖分為獨(dú)占鎖和共享鎖，獨(dú)占鎖允許單個(gè)進(jìn)程對文件進(jìn)行修改，而共享鎖允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)讀取文件。實(shí)現(xiàn)方式文件鎖通常通過系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)，例如fcntl()函數(shù)和flock()函數(shù)，它們允許程序申請和釋放文件鎖。線程簡介線程是進(jìn)程中執(zhí)行的基本單元。一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，每個(gè)線程可以獨(dú)立地執(zhí)行。線程共享進(jìn)程的內(nèi)存空間，但擁有獨(dú)立的棧和寄存器。線程的創(chuàng)建1創(chuàng)建線程使用pthread_create函數(shù)2分配資源線程創(chuàng)建后，系統(tǒng)會為其分配獨(dú)立的棧空間和寄存器3執(zhí)行函數(shù)線程啟動后，執(zhí)行用戶指定的線程函數(shù)創(chuàng)建線程是使用pthread_create函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。該函數(shù)需要傳入線程屬性、線程函數(shù)指針、線程函數(shù)參數(shù)以及線程ID指針。在成功創(chuàng)建線程后，線程會開始執(zhí)行用戶指定的線程函數(shù)，并在自己的棧空間上運(yùn)行。線程的終止1線程函數(shù)返回線程函數(shù)執(zhí)行完畢后，自動退出。2pthread_exit線程主動調(diào)用，退出線程。3線程取消其他線程發(fā)起取消請求，終止目標(biāo)線程。4進(jìn)程終止當(dāng)進(jìn)程被終止時(shí)，所有線程也被終止。線程的終止方式主要包括四種：線程函數(shù)返回，pthread_exit，線程取消，進(jìn)程終止。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的場景選擇合適的終止方式，確保程序的正確性和穩(wěn)定性。線程的同步同步機(jī)制多個(gè)線程共享資源時(shí)，需要同步機(jī)制以確保數(shù)據(jù)一致性和程序正確性。例如，多個(gè)線程同時(shí)訪問共享變量，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)被意外修改。同步目的協(xié)調(diào)線程之間的執(zhí)行順序，避免資源競爭和數(shù)據(jù)沖突。保證共享資源在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程訪問，以確保數(shù)據(jù)的一致性和程序的正確性。互斥鎖互斥鎖保護(hù)共享資源，防止多個(gè)線程同時(shí)訪問。加鎖線程想要訪問共享資源時(shí)，必須先獲取鎖，否則無法訪問。解鎖線程訪問完共享資源后，必須釋放鎖，允許其他線程訪問。條件變量11.等待與通知條件變量允許多個(gè)線程等待共享資源狀態(tài)，并在狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)通知等待線程。22.互斥鎖配合條件變量通常與互斥鎖配合使用，以確保對共享資源的訪問安全。33.避免競爭條件條件變量可以有效地協(xié)調(diào)線程之間的交互，防止因競爭條件導(dǎo)致的錯(cuò)誤。讀寫鎖讀寫鎖讀寫鎖允許多個(gè)讀者同時(shí)訪問共享資源，但一次只允許一個(gè)寫入者訪問。讀者優(yōu)先讀寫鎖通常優(yōu)先考慮讀者，以提高并發(fā)性。寫者阻塞寫入者必須等待所有讀者完成讀取后才能獲得鎖。應(yīng)用場景讀寫鎖適用于讀操作比寫操作更頻繁的場景，例如數(shù)據(jù)庫讀取和寫入操作。自旋鎖忙等待自旋鎖是一種忙等待鎖，線程不斷循環(huán)檢查鎖狀態(tài)，直到獲得鎖為止。低開銷自旋鎖適用于鎖持有時(shí)間短、競爭不激烈的場景，可以避免線程上下文切換的開銷。臨界區(qū)保護(hù)自旋鎖用于保護(hù)臨界區(qū)資源，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問臨界區(qū)。定時(shí)器計(jì)時(shí)器定時(shí)器是系統(tǒng)中用于設(shè)定特定時(shí)間段執(zhí)行操作的機(jī)制，通常用于執(zhí)行周期性任務(wù)或延時(shí)操作。時(shí)間管理通過定時(shí)器，可以精確控制程序執(zhí)行時(shí)間，提高系統(tǒng)效率和資源利用率。事件觸發(fā)定時(shí)器還可以用于響應(yīng)特定的事件，例如，當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)執(zhí)行后臺任務(wù)。守護(hù)進(jìn)程后臺運(yùn)行守護(hù)進(jìn)程在后臺運(yùn)行，不與用戶交互。系統(tǒng)服務(wù)守護(hù)進(jìn)程通常用于提供系統(tǒng)服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、打印服務(wù)等。獨(dú)立運(yùn)行守護(hù)進(jìn)程獨(dú)立于終端運(yùn)行，即使用戶退出登錄，守護(hù)進(jìn)程依然運(yùn)行。僵尸進(jìn)程定義僵尸進(jìn)程是指已經(jīng)終止但其父進(jìn)程沒有回收其資源的進(jìn)程。原因父進(jìn)程在子進(jìn)程終止后，沒有調(diào)用wait()或waitpid()函數(shù)來獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)。影響僵尸進(jìn)程會占用系統(tǒng)資源，例如進(jìn)程描述符，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。解決方法父進(jìn)程應(yīng)及時(shí)調(diào)用wait()或waitpid()函數(shù)回收子進(jìn)程的資源。孤兒進(jìn)程定義孤兒進(jìn)程是指父進(jìn)程終止，但子進(jìn)程仍在運(yùn)行的進(jìn)程。孤兒進(jìn)程的父進(jìn)程ID將被設(shè)置為1，即init進(jìn)程。特點(diǎn)孤兒進(jìn)程由init進(jìn)程收養(yǎng)。init進(jìn)程會負(fù)責(zé)回收孤兒進(jìn)程的資源。孤兒進(jìn)程不會對系統(tǒng)造成直接的威脅。資源限制1用戶資源限制限制用戶進(jìn)程能夠使用的資源，如內(nèi)存、CPU時(shí)間、文件描述符數(shù)量等。2系統(tǒng)資源限制限制整個(gè)系統(tǒng)所能使用的資源，如最大進(jìn)程數(shù)、最大文件數(shù)等。3進(jìn)程資源限制限制單個(gè)進(jìn)程所能使用的資源，如內(nèi)存、CPU時(shí)間、文件描述符數(shù)量等。進(jìn)程間繼承進(jìn)程資源繼承子進(jìn)程從父進(jìn)程繼承大部分資源，例如打開的文件、信號處理程序和環(huán)境變量等。但也有例外，例如進(jìn)程ID會重新分配，以確保唯一性。進(jìn)程狀態(tài)繼承子進(jìn)程繼承父進(jìn)程的信號屏蔽字和信號處理函數(shù)，這些信息決定了子進(jìn)程對信號的響應(yīng)方式，影響子進(jìn)程的執(zhí)行過程。進(jìn)程間控制信號信號是進(jìn)程間通信的一種方式，允許一個(gè)進(jìn)程向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送信號，以通知它發(fā)生了一些事件。系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是進(jìn)程與操作系統(tǒng)之間的接口，通過系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程可以控制其他進(jìn)程，例如終止、掛