UNIX環境C語言--進程管理、進程間通訊

******進程管理******
1、基本概念
　　一、進程與程序
　　　　進程就是運行中的程序，一個正在運行的程序可能包含多個進程，進程在操做系統中負責執行特定的任務
　　　　程序是存儲在硬盤中的文件，它包含機器指令和數據，是一個靜態的實體
　　　　進程或任務它是處理活動狀態的計算機程序
　　二、進程的分類
　　　　a、交互進程：用戶能夠輸入數據、也能看到程序的反饋信息
　　　　b、批處理進程：由系統命令各流程控制語句組成的可執行的腳本文件（Makefile）
　　　　c、守護進程：一直活躍着的進程，通常在後臺運行，由操做系統的開啓腳本或超級用戶加載（init）
　　三、查看進程 ps
　　　　ps：簡單顯示當前用戶用控制終端的進程
　　　　a：顯示全部用戶的進程
　　　　-u：以詳細的信息
　　　　-x：包括無控制終端的進程
　　　　-w：以更大的寬度顯示
　　四、進程的信息表
　　　　用戶、進程號、cpu佔有率、內存佔有率、虛擬內存佔有率、物理內存使用量、狀態、開始時間、運行時間
　　五、進程的狀態
　　　　O 就緒態
　　　　R 運行態
　　　　S 可被喚醒的睡眠
　　　　D 不可被喚醒的睡眠態
　　　　T 暫停，收到了SIGSTOP信號
　　　　X 死亡態
　　　　Z 殭屍態
　　　　< 高優先級
　　　　N 低優先級
　　　　l 多線程進程
　　六、若是進程A開啓進程B，那麼進程A就是進程B的父進程，進程B就是進程A的子進程，進程A可能也有父進程，進程B可能也有子進程
　　七、子進程結束時會向父進程發送SIGCHLD信號，父進程在收到這個信號後默認選擇忽略，若是父進程沒有及時回收（顯示調用wait），子進程就處於殭屍態
　　八、父進程死掉前，會把它的子進程託付給守護進程（init），而後再向他的父進程發送SIGCHLD信號
　　九、操做系統會爲每個進程分配一個標識符，可使用getpid獲取，當進程結束後，屬於它的標識符會延時重用

2、getxxid
　　getpid 進程標識符
　　getppid 父進程標識符
　　getuid 進程的實際用戶用戶id
　　getgid 進程的實際用戶組id
　　geteuid 進程的有效用戶id
　　getegid 進程的有效用戶組id

　　設置進程的組id標識符和用戶id標識符
　　chmod u+s 可執行文件
　　chmod g+s 可執行文件
　　經過這種方式可讓可執行的擁有者獲取比它本身更高的權限

3、fork
　　pid_t fork(void)
　　功能：建立一個子進程
　　　　返回值：一次調用兩個返回值
　　父進程的分支會返回子進程的進程號，父進程只能在建立子進程的時候獲取子進程的id
　　子進程返回0，子進程能隨時獲取父進程的id
　　一、經過fork建立的子進程只能經過返回值來分辨父子進程而後進程相應的分支，處理相應的任務
　　二、經過fork建立的子進程會拷貝父進程的全局段、靜態數據段、堆、棧、IO流緩衝區、而且父子進程共享代碼段、共享文件描述符、文件指針
　　三、fork返回調用成功後，父子進程誰先返回不必定，能夠經過sleep/usleep來確保父子進程誰先執行
　　四、當系統中進程的總數超過系統的限制時，fork將調用失敗
　　五、練習：使用fork配合sleep實現出殭屍進程和孤兒進程 //zfork.c lfork.c
　　六、在fork以前的代碼只有父進程執行，在fork以後的代碼，父進程都有可能執行

4、vfork
　　pid_t vfork(void);
　　功能：用來建立子進程
　　　　返回值與fork一致
　　一、使用vfork建立子進程時，父進程會先暫停，等子進程徹底建立成功以後，父進程再開始執行
　　二、使用vfork要和exec函數配合才能建立子進程
　　if(0 == vfork())
　　{
　　　　exec加載子進程
　　}
　　父進程
　　三、使用vfork不會複製父進程的任何數據，而是經過exec函數加載另外一個可執行文件，這種建立子進程的效率要比fork要高
　　四、exec函數不會返回，子進程必定比父進程先執行

　　int execl(const char *path, const char *arg, ...);
　　　　path：可執行文件路徑
　　　　arg：給可執行文件的參數，相似於命令行參數，必須以NULL結尾，第一個必須是能夠執行文件名
　　　　execl("path","a.out",NULL);

　　一、經過exec建立的子進程會替換掉父進程給的代碼段，不拷貝父進程的棧、堆、全局、靜態數據段，會用新的可執行文件替換掉他們
　　二、exec只是加載一個可執行文件，並建立進程，不會產生新的進程號
　　三、只有exec函數執行結束（不管成功仍是失敗），父進程才能繼續執行

　　int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
　　　　file：可執行文件的文件名，會從PATH環境變量指定的位置去找可執行文件
　　　　參數於exec一致

　　int execle(const char *path, const char *arg,..., char * const envp[]);
　　path和arg與execl一致，但最後要提供環境變量表

　　int execv(const char *path, char *const argv[]);
　　path與execl一致，參數以指針數據的方式提供

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

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

5、進程的正常退出
　　一、從main中return stats，父進程會獲得stats的低八位
　　二、調用exit（stats）函數，父進程會獲得stats的低八位,此函數沒有返回值
　　在進程退出前：
　　　　a、調用atexit、onexit註冊的函數
　　　　b、沖刷並關閉打開的文件
　　　　c、再調用_exit/_Exit函數
　　　　stats：EXIT_SUCCESS/EXIT_FAILURE
　　三、_exit（stats）/_Exit（stats）函數
　　　　父進程會獲得stats的低八位的數據，進程退出前會託孤，向父進程發送SIGCHLD信號，而且此函數不返回
　　四、進程的最後一個線程結束

6、進程的異常退出
　　一、進程調用了abort函數，觸發了停止信號
　　二、進程收到了某些信號（退出、段錯誤、除0）
　　三、最後一個線程收到取消請求，而且對取消請求作出的響應

7、進程的回收wait/waitpid
　　#include <sys/types.h>
　　#include <sys/wait.h>
　　pid_t wait(int *status);
　　功能：回收子進程，只要是子進程它都回收
　　　　status：返回進程的結束狀態，以及低八位數據
　　要使用系統經過的宏才能解析
　　爲NULL時說明不要子進程的結束狀態
　　此調用一次只能回收一個子進程，任何一個子進程結束它都會中止並回收子進程，若是想使用它回收全部的子進程必需要不停的調用直到函數返回-1（說明沒有子進程了）
　　若是在調用以前就有子進程處於殭屍狀態，會當即返回並回收殭屍子進程

　　pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
　　功能：要回收指定的子進程
　　pid：要回收的子進程的id
　　　　<-1 等待進程組id是pid的絕對值的進程
　　　　-1 等待任意進程結束
　　　　0 等待與父進程同組的子進程結束
　　　　>0 等待指定的子進程結束
　　options：若是指定的進程沒有結束，是否阻塞

 

******信號處理******
1、基本概念
一、中斷：停止（不是終止）當前程序正在執行的任務，轉而執行其它的任務
硬中斷：由硬件設備觸發的中斷（手機的按鍵）
軟中斷：由其餘程序觸發的中斷（信號，Qt中的信號和槽）

二、不可靠信號
a、小於SIGRTMIN（34）的信號都是不可靠信號（它是創建在早期機制上的一種信號，由怕目標收不到信號會屢次觸發）
b、這種信號不是實時的產生的，也不能夠排隊因此致使信號可能丟失
c、在處理這種信號時能夠選擇默認的處理方式、也能夠註冊一個處理函數（在有些系統中出來函數結束後就恢復成默認的處理方式）

三、可靠信號
a、[SIGRTMIN,SIGRTMAX]範圍內的信號是可靠信號
b、可靠信號支持排隊，不會丟失，實時產生
c、進程與系統之間的通訊都是不可靠信號（當系統察覺到進程觸發一些錯誤時給進程發的都是不可靠信號），在工業控制鄰域通常都使用實時信號

四、信號的來源
硬件：操做系統察覺到硬件工做異常，向正在使用該硬件的進程發送一個信號
軟件：經過kill、raise、alarm等函數或命令產生的信號
鍵盤：
Ctrl+c
Ctrl+\
Ctrl+z

五、信號的處理方式
一、忽略，不作任何處理
二、終止進程
三、捕獲並處理：
當信號發生前向操做系統註冊一個信號處理函數，當信號發生後調用該函數處理信號
四、終止+產生core：
core dump 記錄內存的使用狀況並寫在core文件中，在ubuntu系統中默認不產生core文件，須要經過命令（ulimit- t unlimited）設置
core文件是一個二進制文件，須要相應的調試工具才能解析（gdb）
gcc -g code.c ->a.out
a.out 出現錯誤產生core文件
gdb a.out core 顯示出產生錯誤的代碼

2、signal
#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
功能：想內核註冊一個信號處理函數
signum：要處理的信號
handler：
函數指針：表示該信號捕獲並處理
SIG_IGN:告訴內核不要再向當前進程發送該信號，若是是SIGCHLD，則同時表示當前進程的子進程由init回收
SIG_DEL：恢復默認處理方式
返回值：在設置信號處理方式以前該信號的處理方式

注意：在某些系統中，信號的處理函數只能處理一次，處理函數調用結束後會恢復默認的處理方式，若是想持久處理須要在處理函數即將結束時再註冊一次
SIGKILL、STGSTOP信號不能被忽略、捕獲處理

3、子進程的信號處理
一、經過fork建立的子進程會繼承父進程的信號處理方式
二、經過vfork+exec函數建立子進程沒法繼承父進程的信號處理函數、但會繼承父進程的信號忽略

4、發送信號
一、鍵盤：
Ctrl+c
Ctrl+\
Ctrl+z
二、錯誤：
除0（SIGFPE（8）） 算術異常
非法內存訪問（SIGEGV（11）） 段錯誤
硬件故障（SIGBUS（7）） 總線異常
三、命令
kill -信號 進程號
killall -信號 命令 能夠向多個進程批量的發送信號
四、函數
int kill（pid_t pid,int sig）;
功能：向指定的進程發送信號

int rais（int sig）；
功能：向本身發送信號

5、pause
int pause(void);
功能：使調用的進程進入睡眠狀態，直到有信號終止該進程或信號被捕獲

一、當信號觸發後，會先執行信號處理函數，pause再返回
二、pause要不不返回（沒有信號觸發），要麼返回-1（有信號產生並處理完畢）

6、sleep
#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int seconds);
功能：使用調用的進程睡眠seconds秒

一、當進程睡足seconds秒後會有信號產生再返回
二、若是是因爲信號產生中的睡眠，則sleep會返回剩餘的秒數

7、alarm
#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
功能：使用調用的進程在seconds後收到SIGALRM信號

一、SIGALRM默認的處理方式是終止進程
二、若是在上次SIGALRM信號產生以前再次設置，會返回剩餘的秒數
三、若是設置的秒數爲0，表示取消以前的設置

8、信號集與信號屏蔽
一、什麼是信號集：信號的集合sigset_t，由128個二進制組成、每個二進制表明一個信號
#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
功能：清空信號集

int sigfillset(sigset_t *set);
功能：填滿信號集

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);
功能：向信號集中添加信號

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);
功能：從信號集中刪除信號

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);
功能：測試信號集中是否有某個信號
返回值：有返回1，沒有返回0，失敗返回-1

二、信號屏蔽
每個進程都有一個信號掩碼（signal mask），也叫信號屏蔽碼，它是一個信號集，其中包含了須要屏蔽的信號
#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
功能：設置進程新的信號掩碼（信號屏蔽碼），獲取舊的信號屏蔽碼
how：修改信號掩碼的方式
SIG_BLOCK：向當前信號掩碼中添加信號
SIG_UNBLOCK：從當前信號掩碼中刪除信號
SIG_SETMASK：用新的信號集替舊的信號掩碼
newset：新添加、刪除、替換的信號集，也能夠爲空，由how說了算
oldset：獲取舊的信號掩碼
當newset爲空時，就是在備份信號掩碼

爲何要信號屏蔽：
當進程執行一些敏感操做時不但願被打擾(原子操做)，但又不但願信號丟失（忽略），此時須要屏蔽信號
屏蔽信號的目的不是爲了避免接收信號，而是延遲接收，當處理完要作的事情後，應該把屏蔽的信號還原
當信號屏蔽時發生的信號會記錄一次，這個信號設置爲未決狀態，當信號屏蔽結束後，會再發送一次
不可靠信號在信號屏蔽期間不管信號發送多少次，信號解除屏蔽後，只發送一次
可靠信號在信號屏蔽期間發生的信號會排隊記錄，在信號接觸屏蔽後逐個處理
在執行信號處理函數時，會默認把當前處理的信號屏蔽掉，執行完成後再恢復

int sigpending(sigset_t *set);
功能：獲取未決狀態的信號
能夠在解除信號屏蔽前預先查找有哪些未決的信號

9、信號處理
#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);
功能：能夠忽略信號、設置或獲取信號處理方式
act：設置心的信號處理方式
oldact：獲取舊的信號處理方式

struct sigaction
{
void (*sa_handler)(int); //信號處理函數指針
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信號處理函數指針 須要使用sigqueue發送信號
sigset_t sa_mask; //信號屏蔽碼，執行信號處理函數時被屏蔽的信號（在執行信號處理函數時，默認屏蔽正在處理的函數，也能夠添加其它要屏蔽的信號，在信號處理函數結束後恢復成默認）
int sa_flags;
SA_NOCLDSTOP：忽略SIGCHLD
SA_NODEFER/SA_NOMASK：處理時不屏蔽信號
SA_RESETHAND：處理完信號後，恢復默認處理方式
SA_RESTART：當信號處理函數中斷的系統調用，則重啓
SA_SIGINFO：用sa_sigaction處理信號
void (*sa_restorer)(void);//保留
};

int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
功能：向指定的進程發送信號，並附帶一些數據

10、計時器
操做系統維護了三個計時器
真實計時器：程序運行的真實時間
虛擬計時器：記錄程序在用戶態耗費的時間
實用計時器：記錄程序在用戶態和內核態耗費的時間
真實 = 實用 + 進出的耗費 + 休眠

使用計時器定時作一些事情，相似鬧鐘的功能
#include <sys/time.h>
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
功能：獲取以前設置的定時任務
which：計時器的類型
ITIMER_REAL 真實，信號：SIGALRM
ITIMER_VIRTUAL 虛擬，信號：SIGVTALRM
ITIMER_PROF 實用，信號：SIGPROF
curr_value：
struct timeval it_interval：時鐘信號的間隔時間
struct timeval it_value：第一次時鐘信號產生的時間

struct timeval
{
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value,struct itimerval *old_value);
功能：設置、獲取鬧鐘
new_value:新設置的鬧鐘
NULL說明只能用來獲取舊鬧鐘
old_value
NULL說明只設置不獲取

******進程間通訊******
1、基本概念
進程間通訊（IPC）：進程之間交換數據的過程叫進程間通訊
進程間通訊的方式
簡單的進程間通訊：
命令行：父進程經過exec函數建立子進程時能夠附加一些數據
環境變量：父進程經過exec函數建立子進程順便傳遞一張環境變量表
信號：父子進程之間能夠根據進程號相互發送信號，進行簡單通訊
文件：一個進程向文件中寫入數據，另外一個進程從文件中讀取出來
命令行、環境變量只能單向傳遞，信號太過於簡單，文件通訊不能實時

2、管道
傳統的進程間通訊方式：管道
一、管道是一種古老的通訊的方式（基本上再也不使用）
二、早期的管道是一種半雙工，如今大多數是全雙工
三、有名管道（這種管道是以文件方式存在的），適合任意進程之間的通訊
建立管道文件：
命令mkfifo
函數mkfifo
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
管道通訊的編程模式：
進程A 進程B
建立管道mkfifo
打開管道open 打開管道
寫/讀數據 read/write 讀/寫數據
關閉管道close 關閉管道
刪除unlink/remove
四、無名管道：由內核幫助建立，只返回管道的文件描述符，看不到管道文件，但這種管道只能用在fork建立的父子進程之間
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
功能：返回兩個打開的管道文件描述符
pipefd[0] 用來讀數據
pipefd[1] 用來寫數據

3、XSI IPC進程間通訊
一、XSI通訊是靠內核的IPC對象進行通訊
二、每個IPC對象都有一個IPC標識符（相似文件描述符），IPC標識符它是一個非零整數
三、IPC對象必需要先建立，建立後才能進程獲取、設置、操做、刪除、銷燬
四、建立IPC對象必需要提供一個鍵值（key_t）,健值是建立、獲取IPC對象的依據
五、產生健值的方法：
固定的字面值：1980014
使用函數計算：健值 = ftok(項目路徑，項目id)
使用宏讓操做系統隨機分配：IPC_PRIVTE
必須把獲取到的IPC對象標識符記錄下來，告訴其它進程
六、XSI能夠建立的IPC對象有：共享內存、消息隊列、信號量

4、共享內存
一、由內核維護一塊共享的內存區域，其它進程把本身的虛擬地址映射到這快內存，而後多個進程之間就能夠共享這快內存了
二、這種進程間通訊的好處是不須要信息複製，是進程間通訊最快的一種方式
三、但這種通訊方式會面臨同步的問題，須要與其它通訊方式配合，最合適的就是信號

共享內存的編程模式：
一、進程之間要約定一個鍵值
進程A 進程B
建立共享內存
加載共享內存 加載共享內存
卸載共享內存 卸載共享內存
銷燬共享內存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：建立共享內存（會在內核中開闢一塊內存），若是要建立的對象已經存在，能夠出錯，也能夠獲取
size：共享的大小，儘可能是4096的倍數
shmflg：
建立：IPC_CREAT | IPC_EXCL |0744
返回值：IPC對象標識符（相似文件描述符）

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
功能：加載共享內存（進程的虛擬地址與內核中的共享內存映射）
shimid：shmget的返回值
shmaddr：進程提供的虛擬地址，若是爲NULL，操做系統會自動選擇一塊地址映射
shmflg：
SHM_RDONLY：限制內存的權限爲只讀
SHM_REMAP：映射已經存的共享內存
SHM_RND：當shmaddr爲空時自動分配
SHMLBA：shmaddr的值不能爲空，不然出錯
0
返回值：映射後的內存的虛擬地址
int shmdt(const void *shmaddr);
功能：卸載共享內存（進程的虛擬地址與共享的內存取消映射關係）

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
功能：控制/銷燬共享內存
cmd：
IPC_STAT:獲取共享內存的屬性
IPC_SET：設置共享內存的屬性
IPC_RMID:刪除共享內存
IPC_INFO:獲取關係內存的信息
buf：記錄共享內存屬性的對象

注意：關係內存是進程間通訊方式中最快的一種，由於數據沒有複製過程，可是進程之間沒法得知數據的寫入和讀取，須要其它的通訊方式配合（信號）

消息隊列的特色是數據能夠排隊，能夠按消息類型接受消息

信號量能夠看做是進程間共享的全局變量，用來管理進程之間共享的資源

5、消息隊列
一、消息隊列是一個由系統內核負責存儲和管理、並經過IPC對象標識符獲取的數據鏈表
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);
功能：建立和獲取消息隊列
msgflg：
建立：IPC_CREAT | IPC_EXEC | 0644
獲取：0

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
功能：向消息隊列發送消息
msgid：msgget的返回值
msgp：消息（消息類型+消息內容）的首地址
msgsz：消息內存的長度（不包括消息類型）
msgflg：
MSG_NOERROR:當消息的實際長度比msgsz還要長的話則按照msgsz長度截取再發送，不然產生錯誤

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
功能：從消息隊列接受消息
msgp：存儲消息的緩衝區
msgsz：要接收的消息長度
msgtyp：消息的類型（它包含在消息的前4個字節）
msgflg：
MSG_NOWAIT：若是要接收的消息不存在，直接返回，不然消息阻塞等待
MSG_EXCEPT：從消息隊列中接收第一個不msgtyp類型的第一個消息

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
功能：控制、銷燬消息隊列
cmd：
IPC_STAT：獲取消息隊的屬性
IPC_SET：設置消息隊列的屬性
IPC_RMID：刪除消息隊列

6、IPC相關命令
ipcs -m 查找共享內容
ipcrm -m id 刪除共享內存
ipcs -q 察看消息隊列
ipcrm -q id 刪除消息隊列
ipcs -s 察看信號量
ipcrm -s 刪除信號量

7、信號量
信號量（信號燈），能夠看成進程與進程之間共享的全局變量，通常用來爲共享的資源計數
信號量的使用方法：
一、進程A，建立信號量，並設置初始化（設置資源的數）
二、進程B，獲取信號量，查看信號量（查詢剩餘資源的數量），減小信號量（使用資源），增長信號量（資源使用完畢歸還）
三、當一進程嘗試減小信號量，若是不能減，（資源使用完畢），則進程能夠進入等待狀態，當信號量可以被減時（其餘進程把資源還回來了），進程會被喚醒

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：建立信號量或獲取信號量
nsems：信號量的數量
semflg：
IPC_CREAT | IPC_EXEC | 0644

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
功能：對信號量增長或減小
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; 信號量的編號 /* semaphore number */
short sem_op; 對信號量的操做 /* semaphore operation */
short sem_flg; 信號量是否等待 /* operation flags */

}
nsops：操做數量

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
功能：對信號量控制或釋放
semnum：信號量的編號
cmd：
IPC_SET 設置信號量的屬性
IPC_STAT 獲取信號量的屬性
IPC_RMID 刪除信號量
IPC_INFO 獲取信號量信息
GETVAL 返回信號量數量
SETVAL 設置信號量數量
返回值：信號量的數量