嵌入式Linux应用程序开发详解-第7 章 进程控制开发

华清远见——嵌入式培训专家应用开发班培训教材“黑色经典”系列之《嵌入式Linux应用程序开发详解》第7章进程控制开发本章目标文件是Linux中最常见最基础的操作对象，而进程则是系统调度的单位，在上一章学习了文件I/O控制之后，本章主要讲解进程控制开发部分，通过本章的学习，读者将会掌握以下内容。掌握进程相关的基本概念掌握Linux下的进程结构掌握Linux下进程创建及进程管理掌握Linux下进程创建相关的系统调用掌握守护进程的概念掌握守护进程的启动方法掌握守护进程的输出及建立方法学会编写多进程程序学会编写守护进程QQ:313638714华清远见——嵌入式培训专家．进程的定义进程的概念首先是在60年代初期由MIT的Multics系统和IBM的TSS/360系统引入的。经过了40多年的发展，人们对进程有过各种各样的定义。现列举较为著名的几种。（1）进程是一个独立的可调度的活动（E.Cohen，D.Jofferson）（2）进程是一个抽象实体，当它执行某个任务时，将要分配和释放各种资源（P.Denning）（3）进程是可以并行执行的计算部分。（S.E.Madnick，J.T.Donovan）以上进程的概念都不相同，但其本质是一样的。它指出了进程是一个程序的一次执行的过程。它和程序是有本质区别的，程序是静态的，它是一些保存在磁盘上的指令的有序集合，没有任何执行的概念；而进程是一个动态的概念，它是程序执行的过程，包括了动态创建、调度和消亡的整个过程。它是程序执行和资源管理的最小单位。因此，对系统而言，当用户在系统中键入命令执行一个程序的时候，它将启动一个进程。2．进程控制块进程是Linux系统的基本调度单位，那么从系统的角度看如何描述并表示它的变化呢？在这里，是通过进程控制块来描述的。进程控制块包含了进程的描述信息、控制信息以及资源信息，它是进程的一个静态描述。在Linux中，进程控制块中的每一项都是一个task_struct结构，它是在include/linux/sched.h中定义的。3．进程的标识在Linux中最主要的进程标识有进程号（PID，ProcessIdenityNumber）和它的父进程号（PPID，parentprocessID）。其中PID惟一地标识一个进程。PID和PPID都是非零的正整数。在Linux中获得当前进程的PID和PPID的系统调用函数为getpid和getppid，通常程序获得当前进程的PID和PPID可以将其写入日志文件以做备份。getpid和getppid系统调用过程如下所示：/*process.c*/#includestdio.h#includeunistd.h#includestdlib.hintmain(){/*获得当前进程的进程ID和其父进程ID*/printf(ThePIDofthisprocessis%d\n,getpid());printf(ThePPIDofthisprocessis%d\n,getppid());QQ:313638714《嵌入式Linux应用程序开发详解》——第7章、进程控制开发华清远见嵌入式Linux应用开发班培训教材}使用arm-linux-gcc进行交叉编译，再将其下载到目标板上运行该程序，可以得到如下结果，该值在不同的系统上会有所不同：[root@localhostprocess]#./processThePIDofthisprocessis78THePPIDofthisprocessis36另外，进程标识还有用户和用户组标识、进程时间、资源利用情况等，这里就不做一一介绍，感兴趣的读者可以参见W.RichardStevens编著的《AdvancedProgrammingintheUNIXEnvironmen》。4．进程运行的状态进程是程序的执行过程，根据它的生命期可以划分成3种状态。•执行态：该进程正在，即进程正在占用CPU。•就绪态：进程已经具备执行的一切条件，正在等待分配CPU的处理时间片。•等待态：进程不能使用CPU，若等待事件发生则可将其唤醒。它们之间转换的关系图如图7.1所示。等待某个事件发生而睡眠因等待事件发生而唤醒调度时间片到执行就绪等待图7.1进程3种状态的转化关系7.1.2Linux下的进程结构Linux系统是一个多进程的系统，它的进程之间具有并行性、互不干扰等特点。也就是说，进程之间是分离的任务，拥有各自的权利和责任。其中，每一个进程都运行在各自独立的虚拟地址空间，因此，即使一个进程发生异常，它也不会影响到系统中的其他进程。Linux中的进程包含3个段，分别为“数据段”、“代码段”和“堆栈段”。•“数据段”存放的是全局变量、常数以及动态数据分配的数据空间（如malloc函数取得的空间）等。•“代码段”存放的是程序代码的数据。•“堆栈段”存放的是子程序的返回地址、子程序的参数以及程序的局部变量。如图QQ:313638714华清远见——嵌入式培训专家所示。7.1.3Linux下进程的模式和类型在Linux系统中，进程的执行模式划分为用户模式和内核模式。如果当前运行的是用户程序、应用程序或者内核之外的系统程序，那么对应进程就在用户模式下运行；如果在用户程序执行过程中出现系统调用或者发生中断事件，那么就要运行操作系统（即核心）程序，进程模式就变成内核模式。在内核模式下运行的进程可以执行机器的特权指令，而且此时该进程的运行不受用户的干扰，即使是root用户也不能干扰内核模式下进程的运行。用户进程既可以在用户模式下运行，也可以在内核模式下运行，如图7.3所示。内核进程中断或系统调用用户进程用户态内核态图7.3用户进程的两种运行模式7.1.4Linux下的进程管理Linux下的进程管理包括启动进程和调度进程，下面就分别对这两方面进行简要讲解。1．启动进程Linux下启动一个进程有两种主要途径：手工启动和调度启动。手工启动是由用户输入命令直接启动进程，而调度启动是指系统根据用户的设置自行启动进程。（1）手工启动手工启动进程又可分为前台启动和后台启动。•前台启动是手工启动一个进程的最常用方式。一般地，当用户键入一个命令如“ls-l”时，就已经启动了一个进程，并且是一个前台的进程。代码段数据段堆栈段图7.2Linux中进程结构示意图QQ:313638714《嵌入式Linux应用程序开发详解》——第7章、进程控制开发华清远见嵌入式Linux应用开发班培训教材•后台启动往往是在该进程非常耗时，且用户也不急着需要结果的时候启动的。比如用户要启动一个需要长时间运行的格式化文本文件的进程。为了不使整个shell在格式化过程中都处于“瘫痪”状态，从后台启动这个进程是明智的选择。（2）调度启动有时，系统需要进行一些比较费时而且占用资源的维护工作，并且这些工作适合在深夜无人职守的时候进行，这时用户就可以事先进行调度安排，指定任务运行的时间或者场合，到时候系统就会自动完成这一切工作。使用调度启动进程有几个常用的命令，如at命令在指定时刻执行相关进程，cron命令可以自动周期性地执行相关进程，在需要使用时读者可以查看相关帮助手册。2．调度进程调度进程包括对进程的中断操作、改变优先级、查看进程状态等，在Linux下可以使用相关的系统命令实现其操作，下表列出了Linux中常见的调用进程的系统命令，读者在需要的时候可以自行查找其用法。表7.1Linux中进程调度常见命令选项参数含义Ps查看系统中的进程Top动态显示系统中的进程Nice按用户指定的优先级运行Renice改变正在运行进程的优先级Kill终止进程（包括后台进程）crontab用于安装、删除或者列出用于驱动cron后台进程的任务。Bg将挂起的进程放到后台执行7.2Linux进程控制编程进程创建1．fork()在Linux中创建一个新进程的惟一方法是使用fork函数。fork函数是Linux中一个非常重要的函数，和读者以往遇到的函数也有很大的区别，它执行一次却返回两个值。希望读者能认真地学习这一部分的内容。（1）fork函数说明fork函数用于从已存在进程中创建一个新进程。新进程称为子进程，而原进程称为父进QQ:313638714华清远见——嵌入式培训专家应用开发班培训教材程。这两个分别带回它们各自的返回值，其中父进程的返回值是子进程的进程号，而子进程则返回0。因此，可以通过返回值来判定该进程是父进程还是子进程。使用fork函数得到的子进程是父进程的一个复制品，它从父进程处继承了整个进程的地址空间，包括进程上下文、进程堆栈、内存信息、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制、控制终端等，而子进程所独有的只有它的进程号、资源使用和计时器等。因此可以看出，使用fork函数的代价是很大的，它复制了父进程中的代码段、数据段和堆栈段里的大部分内容，使得fork函数的执行速度并不很快。（2）fork函数语法表7.2列出了fork函数的语法要点。表7.2fork函数语法要点所需头文件#includesys/types.h//提供类型pid_t的定义#includeunistd.h函数原型pid_tfork(void)0：子进程子进程ID（大于0的整数）：父进程函数返回值-1：出错（3）fork函数使用实例/*fork.c*/#includesys/types.h#includeunistd.h#includestdio.h#includestdlib.hintmain(void){pid_tresult;/*调用fork函数，其返回值为result*/result=fork();/*通过result的值来判断fork函数的返回情况，首先进行出错处理*/if(result==-1){perror(fork);exit;}/*返回值为0代表子进程*/elseif(result==0){printf(Thereturnvalueis%d\nInchildprocess!!\nMyPIDisQQ:313638714《嵌入式Linux应用程序开发详解》——第7章、进程控制开发华清远见嵌入式Linux应用开发班培训教材%d\n,result,getpid());}/*返回值大于0代表父进程*/else{printf(Thereturnvalueis%d\nInfatherprocess!!\nMyPIDis%d\n,result,getpid());}}[root@localhostprocess]#arm-linux-gccfork..c–ofork将可执行程序下载到目标板上，运行结果如下所示：Thereturnvaluds76Infatherprocess!!MyPIDis75Thereturnvalueis:0Inchildprocess!!MyPIDis76从该实例中可以看出，使用fork函数新建了一个子进程，其中的父进程返回子进程的PID，而子进程的返回值为0。（4）函数使用注意点fork函数使用一次就创建一个进程，所以若把fork函数放在了ifelse判断语句中则要小心，不能多次使用fork函数。小知识由于fork完整地拷贝了父进程的整个地址空间，因此执行速度是比较慢的。为了加