进程

进程是操作系统中最核心的概念。

定义：一个执行中的程序的实例。（对正在运行程序的一个抽象）
是资源分配的基本单位。
进程提供给应用程序的关键抽象：
- 一个独立的逻辑控制流，它提供一个假象，好像程序独占地使用处理器。
- 一个私有的地址空间，它提供一个假象，好像程序独占地使用存储器系统。
逻辑流(逻辑控制流）：程序计数器 PC 值的序列。
- 异常处理程序、进程、信号处理程序、线程和 Java 进程都是逻辑流的例子。
并发流(concurrent flow)：一个逻辑流的执行在时间上与另一个流重叠。
并发：多条流并发地执行的一般现象称为并发 (concurrecy)。
多任务(multitasking)：一个进程和其他进程轮流运行的概念称为多任务。
时间片(time slice)：一个进程执行它的控制流的一部分的每一时间段。
并行流(parallel flow)：两个流运行在不同的处理器上或者不同的计算机上。
上下文(context)：内核重新启动一个被抢占的进程所需要的状态。
上下文切换：内核为每个进程维护一个上下文(context)，多任务的实现依赖上下文切换。
- 1）保存当前进程的上下文；
- 2）恢复某个先前被抢占的进程被保存的上下文；
- 3）将控制传递给这个新恢复的进程；

1.进程地址空间

1.1 典型进程地址空间 1

代码段起始地址：
- 32 位：0x08048000
- 64 位：0x00400000
进程从用户模式变为内核模式的方法是：中断、故障、陷入系统调用。

1.2 典型进程地址空间 2

2. 进程状态

2.1 状态转换图

状态转换图

2.2 基本状态

1）运行态：进程实际占用 CPU；
2）就绪态：可运行；
3）阻塞态：除非某种外部事件发生 (使进程满足运行条件)，否则进程不能运行。

2.3 引入的状态：

创建状态；
终止状态；
挂起状态；（图中没有）

3. 进程控制

3.1 进程创建与终止

导致进程创建的主要事件：
- 1）系统初始化；
- 2）正在运行的程序执行了创建进程的系统调用；
- 3）用户请求创建一个新进程；
- 4）一个批处理作业的初始化；
导致进程终止的主要事件：
- 1）正常退出（自愿的）
  - A.从 main 返回；
  - B.调用 exit；
  - C.调用_exit 或_Exit;
  - D.最后一个线程从其启动例程返回；
  - E.从最后一个线程调用 pthread_exit()；
- 2）出错退出（自愿的）
  - 调用 abort
- 3）严重错误/被其他进程杀死（非自愿）
  - 接到终止信号；
  - 最后一个线程对取消 (cancellation) 请求做出响应；
相关函数

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

// 进程创建
pid_t fork(void);
// 进程退出
// 进行一些清理（关闭文件描述符之类的）,然后返回内核
void exit(int status);
// 下面两个直接返回内核
void _Exit(int status);
void _exit(int status);

fork 失败的主要原因：
- 系统中已经有太多进程。
- 该实际用户 ID 的进程数超过了系统限制。

4. 守护进程

守护进程：
- 一种生存期长的进程。
- 后台运行；
- 没有控制终端；

4.1 编程规则

1）调用 umask 将文件模式创建屏蔽字设置为一个已知的值（通常是 0）；【疑问？！】
2）调用 fork，然后使父进程 exit；
3）调用 setsid 创建一个新会话；
- a）进程成为新会话的首进程；
- b）成为一个新进程组的组长进程；
- c）没有控制终端；
4）将当前工作目录更改为根目录；
5）关闭不再需要的文件描述符；
6）[选]打开/dev/null 使进程具有文件描述符 0/1/2。
- 使所有读标准输入，写标准输出/错误输出的库例程都不会产生效果。

4.2 示例

见守护进程示例

4.3 守护进程的惯例

锁文件放/var/run目录，命名为name.pid。
配置放/etc目录，命名为name.conf。
可用命令行启动。
- 通常由/etc/rc*或/etc/init.d/*启动。
- 守护进程终止时，应当自动重启。(/etc/inittab中为守护进程添加respawn记录项【macOS 没有此文件！】)
守护进程可通过 SIGHUP 信号，重新读取配置（当配置更新时）。

5. 进程实现

进程表：操作系统维护的一张表格——一个结构数组。
进程表项：也称进程控制块，是进程表的表项。
典型系统中的一些关键字段：

进程管理	存储管理	文件管理
寄存器	正文段指针	根目录
程序计数器	数据段指针	工作目录
程序状态字	堆栈段指针	文件描述符
堆栈指针		用户 ID
进程状态		组 ID
优先级
调度参数
进程 ID
父进程
进程组
信号
…

A.拓展

A.1 进程组

进程组：在类 UNIX 系统中，进程和它的所有子进程以及后裔进程共同组成一个进程组。
进程组相关函数：

#include <unistd.h>

// 获取进程组ID
pid_t getpgrp(void);
// 改变自己或其他进程的进程组
// pid == 0: 使用当前进程
// pgid== 0: pid进程的PID作为进程组ID。
int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);

僵死进程/僵尸进程：终止，但未被回收的进程。
- 进程已经终止了，但内核仍保留它的某些状态直到父进程回收它为止。
相关函数：

#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
pid_t wait(int *status);
unsigned int sleep(unsigned int secs);
int pause(void);