第三章Linux进程管理
3.1 基础理论知识
Linux是一个多任务操作系统，也就是说在系统内部存在着多个并发执行的程序执行过程。操作系统要为多个程序执行过程合理的分配所需的内存储器、外部设备、处理机时间等资源，充分发挥各种资源的作用，并协调这些程序执行过程的正常进行。
我们人类的大脑思维逻辑是顺序的，很难直接理解一个并发活动的计算机世界。为了管理并发程序执行的这一活动，操作系统引入了进程的概念。下面我们就详细的学习有关进程的各种基础知识。
3.1.1 进程的概念
进程（process）这一术语是麻省理工学院的J.H.Saltzer在1966年提出并在MULTICS操作系统上实现的。进程有许多定义，我们取其中最简短的定义：“进程是程序的执行”。
作为程序执行的过程，进程至少有三方面的性质，一是它的活动性，即进程是动态变化的，并且每个进程都有一个从创建到消亡的过程；二是进程可以并发执行；三是进程之间的关系是异步的。
进程和程序之间的最大差别是，进程是个动态的概念，程序是静态的文本，前者是后者的执行过程。一个进程可以涉及一个或几个程序的执行；反之，同一程序可以对应一个或多个进程。
3.1.2 进程的描述
为了管理系统内众多并发、异步的进程，操作系统使用进程控制块(PCB-Process Control Block)来记录进程的一切静态和动态特征。另外一方面进程毕竟是在程序上执行的，所以一个进程还必须要有程序和数据。因此进程是由程序、数据和PCB共同组成的实体，如图3－1所示。
图3-1 一个进程的实体
一个进程的PCB是必须存在的，而且只有一个。进程的程序可以与其它进程共享。可以共享的程序被成为纯过程（Pure procedure）、或称为可再入代码（reentrant code），它们的特点是，在其执行过程中不会改变自身。进程的数据一般是专有的，不能共享。进程实体的这三部分关系如图3-2所示。
图3-2 两个进程共享程序
3.1.3 进程调度
进程在执行过程中要受到各种主客观条件的限制，所以它很少能一直运行下去直到结束。所以进程在其存在期间将会经历不同的状态，其最基本的状态有三种：运行（runing）态、就绪（ready）态和阻塞（blocked）态。它们之间的相互转换关系见图3-3。
进程各种状态之间的转换是由进程调度程序完成的。进程调度程序实际上是把CPU从一个进程转交给另一个进程，其主要流程如下：
（1）把当前进程的现场信息存入它的PCB中。
（2）根据某种调度算法，从就绪进程中选出一个进程。
（3）恢复被选中进程的现场信息，即将它的PCB中的现场信息存入相应的寄存器。
可见进程调度程序中关键部分就是调度算法的选择，以期尽可能提高资源的利用率，减少处理机的空闲时间。常用的调度算法有：
（1）先来先服务（FIFO）法。此方法按照进程就绪的先后顺序来调度进程，到达越早，其优先级越高。这种算法是非抢占式的，一个进程只要不被阻塞就可以一直运行到结束。
（2）轮转法（Round Robin--RR），此方法是FIFO的一种扩展，对于每一个就绪队列中的进程分配一个时间片（time slice），当一个进程的时间片用完时便排到就绪队列的末尾，进程调度再取下一个就绪进程继续运行。
（3）优先级（Priority）法，此法未每个进程分配一个优先数，这是一个整数，其数值反映了进程的优先程度，进程调度程序每次选出优先级最高的进程运行。
3.1.4 进程间通信
进程通信（Inter process Communication,IPC）是指进程之间的信息交换。系统中的进程和系统内核之间，以及各个进程之间需要相互通信，以便协调它们的运行。linux系统支持多种内部进程通信机制（IPC），其中最为常用的是信号（Signal）、管道（Pipe）；另外linux也支持Unix系统System V的IPC机制，包括信号量（Semaphore）、消息队列和共享内存。下面就对以上进程通信机制分别简要介绍一下。
（1）信号（Signal）
信号机制是Unix系统中最为古老的进程之间的通信机制。它用于在一个或多个进程之间传递异步信号。信号可以由各种异步事件产生，例如键盘中断等。Shell 也可以使用信号将作业控制命令传递给它的子进程。
系统中有一组被详细定义的信号类型，其详细内容参见内核导读部分的signal( )函数章节。
进程可以屏蔽掉大多数的信号，除了SIGSTOP和SIGKILL。SIGSTOP用于暂停一个正在运行的进程，而SIGKILL使得正在运行的进程退出运行。进程可以选择系统的缺省方式处理信号，也可以选择自己的方式处理产生的信号。信号之间不存在相对的优先权，系统也无法处理同时产生的多个同种的信号，也就是说，进程不能分辨它收到的是1个或者是42个SIGCONT信号。
（2）管道（Pipe）
管道是一个先进先出、大小固定的缓冲区，容量为1页（4KB），用于两个进程之间的单向数据传递。当管道有空间时，写进程把数据送入管道，否则将被阻塞；如果管道中没有数据或读进程需要的数据多于管道中的数据时，读进程将被阻塞，否则执行读进程的请求。
（3）信号量（Semaphore）
信号量是用一个整数表示系统当前资源的使用情况，当信号量大于或等于0时，其值表示可用的资源数量；当它小于0时，其绝对值表示等待该资源的进程数。使用信号量可以实现进程的同步与互斥。
（4）共享内存（Share Memory）
共享内存区是指被多个进程共享的虚拟内存中的一个数据块，进程利用它来实现进程间的通信。虚地址空间的页是通过共享进程的页表中的页表项来访问的。共享存储区不需要在所有进程的虚存中占有相同的虚地址。像所有的System V IPC对象一样，共享存储区的访问控制是通过密钥和访问权限检查来实现的。一旦某一内存区域被共享了，系统就无法检查进程如何使用这部分内存区域。因此系统必须使用System V信号量等其他的机制来同步对存储器的访问。
