操作系统 Linux操作系统编程开发

Posted 2020-11-24 石斛

Linux操作系统编程开发

预备知识：

　　1、进程操作：Linux系统是多任务的操作系统，采用进程作为任务调度的单位，进程在Linux系统下的概念是程序代码的一次执行，包括运行的代码和运行需要的数据、参数等资源。

　　2、进程和程序的区别：一方面：在Linux系统下，进程是程序代码的执行，所以程序是一段运行的，有生命力的程序，是一个动态的概念；一个程序是指储存在磁盘或者其他存储介质中的静态代码。另一方面：一个进程是基于一个程序运行的，而一个程序可以被重复载入到内存，形成多个进程！

　　3、CPU时间片（Linux系统大约1ms）：时间片即CPU分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。

　　4、Linux系统中进程在宏观上是并行，在微观上是串行的（一个CPU）。在宏观上是并行：同时可以打开多个进程；每个进程都有一个时间片和优先级。在微观上是串行：在每一个CPU时间片中，每个进程都有机会运行，优先级高的进程被运行的概率更大。如果时间片结束，进程还在运行，CPU将剥夺并分配给另一个进程；如果进程在时间片结束之前结束或者进入阻塞状态，CPU立即进行切换！一个CPU，一次只能执行程序的一部分。

　　5、mmu和多进程系统：

　　6、PID（进程号Process ID）：在Linux系统中，每个进程都有一个进程号（PID），所有的进程使用树状结构组织。Linux系统启动时第一个进程是根进程，该进程进一步调用系统其它进程。Linux系统中，进程之间有一个明显的继承关系，所有进程都是 PID 为1的 init 进程的后代。

　　7、父进程和子进程：Linux系统中每个进程必有一个父进程，相应的，每个进程也可以由零个或者多个子进程。拥有同一个父进程的所有进程被称为兄弟。进程之间的关系存放在进程描述符 task_struct 中。每个 task_struct 都包含一个指向其父进程 task_struct 的指针 parent，还有一个被称为 children 的子进程链表。　　

　　8、一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程并发运行。

　　9、现存进程、交换进程、init进程、精灵进程

　　10、僵尸进程、孤儿进程

　　11、进程环境：

　　12、进程描述符：

　　13、组识别码（gid-Group ID）：每个登录的用户至少都会取得两个ID，一个是用户ID（UserID，简称UID），一个是用户组ID（Group ID，简称GID）；每一个文件都会有所谓的所有者ID与用户组ID。

　　14、PCB（progress control block-进程控制块），系统通过PCB，描述进程和控制进程。在Linux系统下，PCB是 task_struct结构体。

　　15、进程内存分配示意图（32位操作系统）：内核空间和用户空间，内核空间则为所有进程以及内核所共享。

　　

Linux操作系统进程函数：

1、fork/vfork，创建子进程

2、exec系列函数：execv/execl、execp/execlp、execve/execle;用exec函数可以把当前进程替换为一个新进程，且新进程与原进程有相同的PID,它将进程创建与加载一个新进程映象分离。

　　int execl(const char *path, const char *arg, ...);

　　int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

　　int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);

　　int execv(const char *path, char *const argv[]);

　　int execvp(const char *file, char *const argv[]);

　　int execve(const char *path, const char *argv[], char * const envp[]);

说明：

path参数表示你要启动程序的名称包括路径名

file参数表示命令的文件名

arg参数表示启动程序所带的参数，一般第一个参数为要执行命令名，不是带路径且arg必须以NULL结束

argv参数是需要传递给命令的参数，该数组以NULL结束

envp参数是环境变量数组

3、getpid、getppid:获取进程码

4、setpgid：设置指定进程的组识别码；getpgid:获取指定进程组识别码；（setpgrp、getpgrp是参数为0的特殊情况）

5、setpriority：设置指定进程、进程组、用户的优先级别；getpriority：获取指定进程（进程号）、进程组（识别码）、或者用户（用户ID）的优先级，优先级是-20~20之间的整数，数值越大优先级越高。

6、wait/waitpid：暂停当前进程，等待子进程的中断或结束。wait、参数说明：pid_t wait(int *status)，status保存子进程中断或结束的状态，可设为NULL，返回值为中断或结束的子进程的进程号。waitpid、参数说明：pid_t waitpid(pid_t pid，int *status，int options)　pid：-1表示任何子进程，0：组识别码相同的所有子进程；status保存子进程中断或结束的状态，可设为NULL；options;0；WNOHANG（若无子进程结束则立即返回）、WUNTRACED（若子进程暂停则立即返回）；WNOHANG | WUNTRACED（两者取或），

7、进程终止函数：

　　_exit：直接使进程停止运行，清除其使用的内存空间，并清除其在内核的各种数据结构。exit() 函数与 _exit() 函数的最大区别在于exit()函数在调用exit系统调用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，也就是“清理I/O缓冲”。

　　atexit：ISO C的规定，一个进程可以登记多至32个函数，这些函数将由exit自动调用，这些函数为被称为终止处理函数，并调用atexit函数来登记这些函数。

　　on_exit：

 

Linux操作系统信号量及操作函数：

预备知识：

0、临界区指同一时刻只能有一个进程执行其中代码的代码段。死锁：某个进程修改了信号量而进入临界区之后，因为崩溃或被“杀死(kill)"，却而没有退出临界区，其他被挂起在信号量上的进程永远得不到运行机会。

1、资源互斥和资源同步。资源互斥：指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性，例如死锁：进程甲占用资源A，申请资源B，进程乙占用资源B，申请资源A就会造成一种资源互斥情况“死锁”；资源同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。

2、相交进程之间的关系主要有两种，同步与互斥。

3、处理资源的互斥与同步的几种方式： 自旋锁，信号量，互斥锁与原子变量。

 4、信号量是一种能够有效处理进程之间资源互斥和同步的锁机制，信号量是一个计数器。一个信号量表示可用资源的个数。信号量的两种操作，P和V：P，等待信号量，当信号量值为0时，程序等待；当信号量值大于0时，信号量减1，程序继续运行（进程运行需要资源）。V，发送信号量，将信号量值加1，（产生资源的进程）。

5、Linux系统下的通讯机制（IPC）：管道、消息队列、信号、信号值、共享内存（最快的IPC方式）、共享映射文件、套接字（不同机器之间的进程进行通讯）等。

6、信号量集合机制：多个进程（队列结构）要分别获得多个临界资源（信号量数组）后方能运行，这就是信号量集合机制。如果进程被挂起，Linux 必须保存信号量的操作状态并将当前进程放入等待队列（sem_queue）。

7、线程占用的资源：共享的内存，匿名管道，malloc出来的空间、socket描述符、epoll描述符和线程锁等。

注：2019年10月26日18:07:53，线程的资源是指那些？资源和虚拟内存的关系是什么？为什么资源不能同时被不同的进程占用，而要释放呢？不能通过不同的进程使用不同的指针调用，而且每个进程的虚拟空间（除去共享的内核空间）都是独立的，将程序加载到内存中，然后放入寄存器中，这个加载到的内存不是独立的码？那倒是因为寄存器是唯一的，所以会有资源互斥？个人理解，数据结构实现上，信号是通过字典，键和值是信号集。

8、信号量的数据结构（sem）：

 

struct sem {

  int  semval;         /* 信号量的当前值  */

           int   sempid;         /*在信号量上最后一次操作的进程识别号 *                    

        };

 

9、信号量集的数据结构（sem_ds）：

struct semid_ds {

  struct ipc_perm sem_perm;          /*  IPC权限 */

   long        sem_otime;        /* 最后一次对信号量操作(semop)的时间 */

  long        sem_ctime;        /* 对这个结构最后一次修改的时间 */

  struct sem      *sem_base;      /* 在信号量数组中指向第一个信号量的指针 */

   struct sem_queue *sem_pending;       /* 待处理的挂起操作*/

  struct sem_queue **sem_pending_last; /* 最后一个挂起操作 */

  struct sem_undo *undo;          /* 在这个数组上的undo 请求 */

  ushort          sem_nsems;           /* 在信号量数组上的信号量号 */

   };

10、系统中每一信号量集合的队列结构（sem_queue）

 

struct sem_queue {   

    struct sem_queue * next;   /* 队列中下一个节点 */

    struct sem_queue **    prev;   /* 队列中前一个节点, *(q->prev) == q */

    struct wait_queue *    sleeper;    /* 正在睡眠的进程 */

    struct sem_undo *  undo;   /* undo 结构*/

    int            pid;    /* 请求进程的进程识别号 */

    int            status; /* 操作的完成状态 */

    struct semid_ds *  sma;    /*有操作的信号量集合数组 */

    struct sembuf *    sops;   /* 挂起操作的数组 */

    int    nsops;  /* 操作的个数 */

};

 

11、三种数据结构的关系

 

 

 

信号量操作的函数（系统调用）：

1、semget ( key_t key, int nsems, int semflg ),创建并打开一个信号集

2、semop ( int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)，根据索引值，对指定的信号量进行指定的操作（P、V操作）

一、sops参数指向类型为sembuf的一个数组

struct sembuf {

                ushort  sem_num;        /* 在数组中信号量的索引值 */

                short   sem_op;         /* 信号量操作值(正数、负数或0) */

                short   sem_flg;        /* 操作标志，为IPC_NOWAIT或SEM_UNDO*/

        };

注：1、sem_op为负数，那么就从信号量的值中减去sem_op的绝对值，这意味着进程要获取资源，如果sem_op是正数，把它的值加到信号量，这意味着把资源归还给应用程序的集合。

命令（cmd）	解   释
IPC_STAT	从信号量集合上检索semid_ds结构，并存到semun联合体参数的成员buf的地址中
IPC_SET	设置一个信号量集合的semid_ds结构中ipc_perm域的值，并从semun的buf中取出值
IPC_RMID	从内核中删除信号量集合
GETALL	从信号量集合中获得所有信号量的值，并把其整数值存到semun联合体成员的一个指针数组中
GETNCNT	返回当前等待资源的进程个数
GETPID	返回最后一个执行系统调用semop()进程的PID
GETVAL	返回信号量集合内单个信号量的值
GETZCNT	返回当前等待100%资源利用的进程个数
SETALL	与GETALL正好相反
SETVAL	用联合体中val成员的值设置信号量集合中单个信号量的值