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华清远见25072班I/O学习day3

ai 2025/9/3 5:53:17

重点内容：

一、多进程引入

1.1 引入目的

程序员写程序时，一个程序可能由多个任务组成，如果使用的是单进程，或单任务，那么当该任务执行阻塞时，其他任务就无法执行，必须等到该任务解除阻塞后，才能去执行其他任务。

多进程或多线程，可以解决同一个程序中多个任务并发执行的情况

1.2 进程的概念

1> 进程是程序的一次执行过程，是有生命周期的：创建态、就绪态、运行态、阻塞态、死亡态

2> 进程是程序资源分配的基本单位，系统会给每个进程分配4G的虚拟内存，分为0--3G的用户空间和3--4G的内核空间

多个进程共享内核空间，用户空间相互独立

3> 进程是一个动态的过程，有生命周期的概念，分为创建态、就绪态、运行态、阻塞态、死亡态

4> 进程在内核空间中存储在一个名为task_struct的结构体中（PCB）

5> 单核cpu处理多任务是，一般使用的是时间片轮询机制

6> 进程与程序的区别：程序是静态的，是存储在磁盘上的二进制代码。进程是动态的，是有生命周期的

7> 进程的组成：进程控制块（PCB）、数据段、程序段

1.3 进程的种类

进程一共分为三大类：交互进程、批处理进程、守护进程

1> 交互进程：他是由shell控制，用于直接跟用户进行交互的进程。例如：vim编辑器、文本编辑器

2> 批处理进程：本质上维护了一个队列，被放入队列中的进程会统一被调度。例如gcc编译器的一步到位的编译

3> 守护进程：脱离了终端而存在的进程，随着系统的启动而开始，随着系统的结束而终止。例如：服务进程

1.4 进程号的概念

每个进程在系统中都有一个唯一的标识位，用一个整数表示，这就是该进程的进程号（PID）

1> PID(process ID):当前进程的进程号

2> PPID(parent process ID):当前进程的父进程的进程号

1.5 特殊的进程

1> 0号进程：也成为 idel 进程，他是操作系统启动后执行的第一个进程，这个进程也叫空闲进程，当没有其他进程执行时，系统会默认执行该进程。1号进程和2号进程都是由0号进程创建出来的。

2> 1号进程：也称 init 进程，该进程由0号进程产生，主要完成系统创建时一些软件硬件的初始化工作。当其他进程的父进程死亡后，会托管其子进程

3> 2号进程：也称 kthreadd，该进程由0号进程产生，也成为调度进程，当某个就绪进程时间片轮到时，该进程负责进程的调度工作

4> 孤儿进程：当前进程的父进程死亡后，但是当前进程还没有结束，那么当前进程称为孤儿进程，孤儿进程会由1号进程收养

5> 僵尸进程：当前进程已经死亡，但是其父进程没有为其收尸，那么该进程为僵尸进程

1.6 进程的相关指令

1> 查看进程信息的命令：ps ，跟不同的选项，执行不同的操作

ps -ef:显示进程之间的关系

ps -ajx:可以显示进程的状态

ps -aux:可以查看进程资源使用情况

2> top或htop

可以动态展示进程的占用情况

3> pstree：展示进程树，可以显示进程的父子关系

4> 查看给定进程的进程号：pidof 进程名

4> kill : 向进程发送信号,发信号的格式

kill -信号名（号）进程号

能够发送的信号号有：可以通过指令 kill -l查看

1.7 进程的状态

1> 主要状态一共有五个：创建态、就绪态、运行态、阻塞态、死亡态

2> 程序中的进程的状态显示：可以通过指令 man ps查看进程的状态

进程的状态由两部分组成：主状态和附加态

主状态：
         D 不可中断的休眠态 (usually IO)
        R 运行态 (on run queue)
        S 可中断的休眠态 (waiting for an event to complete)
        T 暂停态，会给出作业号进行控制 t 程序调试时的暂停态 W 已经弃用 X 死亡态 (should never be seen)
        Z 僵尸态
附加态：
        < 高优先级的进程 (not nice to other users)
        N 低优先级的进程 (nice to other users)
        L 锁到内存中的进程 (for real-time and custom IO)
        s 会话组组长，默认为当前终端
        l 包含多线程的进程 (using CLONE_THREAD, like NPTL pthreads do)
        + 表示是前台运行的进程

二、多进程编程

2.1 进程的创建函数 fork

pid_t fork(void);

功能：创建一个子进程，并返回相关进程号

参数：无

返回值：对于父进程而言，得到的是子进程的pid号，对于子进程而言，得到的是0

注意：当fork执行后，子进程会完全拷贝父进程的所有资源，并且父子进程的用户空间完全独立父子进程执行是没有先后顺序的，遵循时间片轮询机制

2.2 进程号的获取（getpid() / getppid()）

pid_t getpid(void); //获取当前进程的pid号，返回值就是当前进程的id号，不会失败

pid_t getppid(void); //获取当前进程的父进程的pid号，返回值就是父进程id，不会失败

2.3 进程的退出（exit/ _exit）

void exit(int status);

功能：是一个库函数，会导致调用该函数的进程结束

参数：退出时的状态，会将该值和0377进行位与运算后的值返回给其父进程 EXIT_SUCCESS(0):表示正常退出

EXIT_FAILURE(1):表示异常退出

返回值：无

注意：对于标准库提供的该函数而言，退出进程之前，会自动将所有的已经打开的标准IO缓冲区刷新，并关闭文件指针后结束进程

void _exit(int status);

功能：直接退出当前进程（不会刷新标准IO的缓冲区）

参数：退出时的状态，会将该值和0377进行位与运算后的值返回给其父进程 EXIT_SUCCESS(0):表示正常退出

EXIT_FAILURE(1):表示异常退出

返回值：无

2.4 进程资源的回收

pid_t wait(int *wstatus);

功能：阻塞等待当前进程的任意一个子进程的退出，并回收该子进程的资源给系统

参数：用于接受子进程退出时的状态，一般不接受，填NULL即可

返回值：成功回收返回值回收的那个子进程的pid号，失败返回pid_t(-1)并置位错误码

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

功能：以阻塞或者非阻塞的方式回收子进程资源

参数1:要回收的进程id号

>0:指定要回收的子进程pid号

=0：回收父进程所在的进程组中的任意一个子进程

-1：回收任意一个子进程

<-1:表示去回收给定的pid的绝对值进程号所在的进程组中的任意一个子进程

参数2：用于接受子进程退出时的状态，一般不接受，填NULL即可

参数3：是否阻塞的选项

0：表示阻塞回收

WNOHANG：表示非阻塞回收

返回值：

>0:表示返回的是成功回收的子进程的pid号

=0：表示以非阻塞形式回收资源时，但是没有回收到子进程时返回0

-1：函数调用出错，并置位错误码

作业：

1> 使用多进程完成两个文件的拷贝：父进程拷贝前一半内容，子进程拷贝后一半内容

#include <25072head.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t pid = -1; //定义变量记录进程号
int fd=-1;
if((fd = open(argv[1], O_RDONLY)) == -1)
{
perror("open errpr:");
return -1;
}
int fd1=-1;
if((fd1 = open(argv[2], O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664)) == -1)
{
perror("open error");
return -1;
}
int len=lseek(fd,0,SEEK_END);
lseek(fd,0,SEEK_SET);
char buf;
pid=fork();
if(pid>0)
{
for(int i=0;i<len/2;i++)
{
read(fd,&buf,1);
write(fd1,&buf,1);
}
wait(NULL);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
else if(pid==0)
{
for(int i=len/2;i<len;i++)
{
read(fd,&buf,1);
write(fd1,&buf,1);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return 0;
}

2> 父进程创建两个子进程，子进程1负责拷贝文件前一半内容，子进程2负责拷贝文件后一半内容，父进程阻塞回收两个子进程资源

#include <25072head.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t pid = -1; //定义变量记录进程号
pid_t pid1=-1;
int fd=-1;
if((fd = open(argv[1], O_RDONLY)) == -1)
{
perror("open errpr:");
return -1;
}
int fd1=-1;
if((fd1 = open(argv[2], O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664)) == -1)
{
perror("open error");
return -1;
}
int len=lseek(fd,0,SEEK_END);
lseek(fd,0,SEEK_SET);
char buf;
pid=fork();
if(pid==0)
{
for(int i=0;i<len/2;i++)
{
read(fd,&buf,1);
write(fd1,&buf,1);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
pid1=fork();
if(pid1==0)
{
lseek(fd,len/2,SEEK_SET);
for(int i=len/2;i<len;i++)
{
read(fd,&buf,1);
write(fd1,&buf,1);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
if(pid>0)
{
sleep(5);
waitpid(pid, NULL, 0); // 等待第一个子进程
sleep(5);
waitpid(pid1, NULL, 0); // 等待第二个子进程
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);
}