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1 进程在内核中的组织

1.1 进程在内核的组织形式：进程控制块（PCB）（初始化信息）

1.1.1 Linux进程控制块：task_struct结构

1.1.2 task_struct：进程状态

1.1.3 task_struct：文件管理

1.1.4 task_struct：内存管理

1.1.5 进程在内核中的组织形式

2 进程属性

2.1 进程基本属性-进程ID

2.2 真实用户和有效用户的关系

2.3 有效用户和真实用户实例

2.4 普通用户能够修改自己的密码的原因

3 进程生命周期

3.1 进程的启动

3.2 进程的终止

3.3 进程的生命周期

3.3.1 终止进程的函数

3.3.2 exit与return的区别

3.3.3 注册终止处理函数

4 进程环境

4.1 进程内存空间布局

4.1.1 命令行参数

4.1.2 C程序中main函数参数

4.1.3 环境变量表

4.1.4 设置环境变量（putenv、setenv、unsetenv）

5 创建进程

5.1 创建进程

5.2 创建子进程

5.2.1 创建子进程示例

5.2.2 fork函数工作流程

5.2.3 fork函数执行后父子进程的主要异同

5.2.4 父子进程共享文件

5.2.5 fork的用法

5.2.6 vfork函数

6 获知子程序运行状态改变

6.1 僵尸进程

6.2 wait函数

6.3 waitpid函数

7 在进程中运行可执行文件

7.1 exec系列函数

7.2 execl函数

7.3 execv函数

7.4 execle函数

7.5 其他exec函数

7.6 exec类函数之间的关系

8 Linux线程控制

8.1 线程的基本概念

8.2 线程与进程的对比

8.3 线程ID

8.4 线程的创建

8.5 线程的终止

8.6 取消线程

8.7 父线程等待子线程终止

8.7.1 pthread_join函数

1 进程在内核中的组织

CPU载入程序到内存—>CPU初始化程序—>CPU进程调度程序

1.1 进程在内核的组织形式：进程控制块（PCB）（初始化信息）

初始化：进程ID，用户ID，进程状态，调度信息，文件管理，虚拟内存管理，信号，时间和定时器…

1.1.1 Linux进程控制块：task_struct结构

1.1.2 task_struct：进程状态

1.1.3 task_struct：文件管理

1.1.4 task_struct：内存管理

1.1.5 进程在内核中的组织形式

2 进程属性

2.1 进程基本属性-进程ID

2.2 真实用户和有效用户的关系

2.3 有效用户和真实用户实例

2.4 普通用户能够修改自己的密码的原因

3 进程生命周期

3.1 进程的启动

◼C程序的启动函数是main，也是进程代码的入口点

• main ( int argc, char *argv[] );

◼当内核启动C程序时，会在调用main函数前调用特殊的启动函数来获取main函数地址和传递给main函数的参数，并且将这些信息填写到进程控制块中

3.2 进程的终止

◼正常终止

• 从main函数中返回
• 在任意代码中调用exit函数或_exit函数
• 最后一个线程从其启动例程中返回
• 最后一个线程调用pthread_exit函数

◼异常终止

• 在任意代码中调用abort函数
• 接收到终止信号

3.3 进程的生命周期

3.3.1 终止进程的函数

◼头文件stdlib.h ，函数定义：void exit( int status )◼头文件unistd.h，函数定义：void _exit (int status ）◼调用这两个函数均会正常地终止一个进程◼调用_exit 函数将会立即返回内核◼调用exit 函数:

• 执行预先注册的终止处理函数
• 执行文件I/O操作的善后工作，使得所有缓冲的输出数据被更新到相应的设备
• 返回内核

3.3.2 exit与return的区别

• return是C语言关键字，exit是POSIX API函数
• 在main函数中，执行return和调用exit函数会产生相同的效果
• 在子函数中，执行return仅仅从子函数中返回，而调用exit函数将会退出当前进程 

3.3.3 注册终止处理函数

1. 当进程终止时，程序可能需要进行一些自身的清理工作，如日志登记、资源释放等
2. 通过atexit函数或on_exit函数允许进程注册若干终止处理函数，当进程终止时，这些终止处理函数将会被自动调用 

  ◼头文件stdlib.h

• int atexit(void (*func)(void));
• int on_exit (void (*func)(int, void *), void *arg);

◼ANSI C规定一个进程最多能注册32个终止处理函数◼当显示调用或者隐含调用exit函数终止进程（从main中返回、最后一个线程退出等）将会回调这些注册的终止处理函数（最先注册的函数最后被回调）◼显示调用_exit函数终止进程时将不会回调这些注册的终止函数  示例代码：atexit示例代码：on_exit 

4 进程环境

4.1 进程内存空间布局

正文：CPU执行的代码部分，正文段通常是共享、只读的

初始化的数据：包含了程序中需明确赋初值的变量，如全局变量int maxcount=99

未初始化的数据：程序执行之前，将此段中的数据初始化为0，如全局变量long sum[1000]

栈/堆：用于动态分配内存

命令行参数和环境变量：主要用于支撑函数调用存放参数、局部变量等

4.1.1 命令行参数

◼ls [参数] <路径或文件名>

• ls –l /home

◼mkdir [参数] <目录名>

• mkdir -p /home/xiaokun/src

◼cp [参数] <源文件路径> <目标文件路径>

• cp –r /usr/local/src /root

4.1.2 C程序中main函数参数

4.1.3 环境变量表

 ◼每个进程都会有自己的环境变量表◼通过全局的环境指针（environ）可以直接访问环境变量表（字符串数组）  

• 头文件unistd.h
• extern char **environ;

◼环境变量字符串形式为“name=value”，name是环境变量名称，value为环境变量赋值

4.1.4 设置环境变量（putenv、setenv、unsetenv）

◼设置环境变量的三种方法：

• putenv
• setenv
• unsetenv

◼putenv函数将环境变量字符串放入环境变量表中；若该字符串已经存在，则覆盖

• 头文件：stdlib.h
• int putenv(char *str);

 ◼setenv

• 头文件：stdlib.h
• int setenv(const char* name,const char* value, int rewrite);
• setenv将指定环境变量的值设置为参数指定值（更改环境变量字符串）
• 若name已经存在 ，rewrite不等于0时，则删除其原先的定义； rewrite等于0，则不删除其原先的定义。

◼unsetenv

• 头文件：stdlib.h
• int unsetenv(const char* name);
• 删除指定的环境变量字符串

5 创建进程

5.1 创建进程

◼Linux中创建进程的方式：

• 在shell中执行命令或可执行文件（由shell进程调用fork函数创建子进程）
• 在代码中（已经存在的进程中）调用fork函数创建子进程 （通过fork函数创建的进程为已经存在进程的子进程）

◼Linux系统中进程0（PID=0）是由内核创建，其他所有进程都是由父进程调用fork函数所创建的◼Linux系统中进程0在创建子进程（PID=1，init进程）后，进程0就转为交换进程或空闲进程◼进程1（init进程）是系统中其他所有进程的共同祖先

5.2 创建子进程

◼函数原型

• 头文件：unistd.h
• pid_t fork(void);

◼返回值 ⚫fork函数被正确调用后，将会在子进程中和父进程中分别返回！！

• 在子进程中返回值为0（不合法的PID，提示当前运行在子进程中）
• 在父进程中返回值为子进程ID（让父进程掌握所创建子进程的ID号）

⚫出错返回-1

5.2.1 创建子进程示例

5.2.2 fork函数工作流程

◼子进程是父进程的副本

• 子进程复制/拷贝父进程的PCB、数据空间（数据段、堆和栈）
• 父子进程共享正文段（只读）

◼子进程和父进程继续执行fork函数调用之后的代码◼为了提高效率，fork后不并立即复制父进程数据段、堆和栈，采用了写时复制机制（Copy-On-Write）

• 当父子进程任意之一要修改数据段、堆、栈时，进行复制操作，并且仅复制修改区域

5.2.3 fork函数执行后父子进程的主要异同

5.2.4 父子进程共享文件

◼父子进程对共享文件的常见处理方式

• 父进程等待子进程完成。当子进程终止后，文件当前位置已经得到了相应的更新
• 父子进程各自执行不同的程序段，各自关闭不需要的文件

5.2.5 fork的用法

◼父进程希望复制自己（共享代码，复制数据空间），但父子进程执行相同代码中的不同分支

• 网络服务程序中，父进程等待客户端的服务请求，当请求达到时，父进程调用fork创建子进程处理该请求，而父进程继续等待下一个服务请求到达

◼父子进程执行不同的可执行文件（父子进程具有完全不同的代码段和数据空间）

• 子进程从fork返回后，立即调用exec类函数执行另外一个可执行文件

5.2.6 vfork函数

◼vfork用于创建新进程，而该新进程的目的是执行另外一个可执行文件◼由于新程序将有自己的地址空间，因此vfork函数并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中◼子进程在调用exec或exit之前，在父进程的地址空间中运行◼vfork函数保证子进程先执行，在它调用exec或者exit之后，父进程才会继续被调度执行（父进程处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态）

6 获知子程序运行状态改变

 ◼当一个进程发生特定的状态变化（进程终止、暂停以及恢复）时，内核向其父进程发送SIGCHLD信号◼父进程可以选择忽略该信号，也可以对信号进行处理（默认处理方式为忽略该信号）◼wait或waitpid函数可以用于等待子进程状态信息改变，并获取其状态信息  

6.1 僵尸进程

◼进程在退出之前会释放进程用户空间的所有资源，但PCB等内核空间资源不会被释放

• 当父进程调用wait或waitpid函数后，内核将根据情况关闭该进程打开的所有文件，释放PCB（释放内核空间资源）
• 对于已经终止但父进程尚未对其调用wait或waitpid函数的进程（ TASK_ZOMBIE状态），称为僵尸进程

◼如果父进程在子进程终止之前终止，则子进程的父进程将变为init进程，保证每个进程都有父进程，由init进程调用wait函数进行善后 

6.2 wait函数

◼功能：获取任意子进程的状态改变信息（如果是终止状态则对子进程进行善后处理） ◼函数原型

• 头文件：sys/wait.h
• pid_t wait(int *statloc);

◼参数与返回值

• statloc：用于获取子进程的状态改变
• 返回值：若成功返回状态信息改变子进程ID，出错返回-1

◼参数statloc

• statloc可以为空指针，此时父进程不需要具体了解子进程的状态变化，只是为了防止子进程成为僵尸进程，或者因为同步原因需等待子进程终止
• 若statloc不是空指针，则内核将子进程状态改变信息存放在它指向的存储空间中

◼子进程状态改变信息包含了多种类型的信息，可以通过系统提供的宏来快速解析子进程的状态◼调用wait函数之后，父进程可能出现的情况

• 如果所有子进程都还在运行，则父进程被阻塞（TASK_INTERRUPTIBLE状态），直到有一个子进程终止或暂停，wait函数才返回
• 如果已经有子进程进入终止或暂停状态，则wait函数会立即返回
• 若进程没有任何子进程，则立即出错返回-1

◼如果一个进程有几个子进程，那么只要有一个子进程状态改变，wait函数就返回 ◼如何才能使用wait函数等待某个特定子进程的状态改变？

• 调用wait，然后将其返回的进程ID和所期望的子进程ID进行比较
• 如果ID不一致，则保存该ID，并循环调用wait函数，直到等到所期望的子进程ID为止

6.3 waitpid函数

◼功能：等待某个特定子进程状态改变 ◼函数原型

• 头文件：sys/wait.h
• pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);

◼返回值

• 成功返回终止子进程ID，失败返回-1

◼参数 ⚫pid

• pid == -1：等待任意子进程执行终止（同wait）
• pid > 0：等待进程ID为pid的子进程执行终止
• pid == 0：等待其组ID等于调用进程组ID的任意子进程
• pid < -1：等待其组ID等于pid绝对值的任意子进程

⚫statloc：存放子进程终止状态⚫options：可以为0，也可以是以下常量或常量的或

• WCONTINUED：如果有暂停的进程由于SIGCONT信号的到来而继续运行，则函数将返回
• WUNTRACED：如果有处于终止状态的进程，则函数返回
• WNOHANG：如果没有任何已经终止的子进程则马上返回, 函数不等待，此时返回值为0

waitpid的特有功能 ◼waitpid可等待一个特定的进程的状态改变信息 ◼waitpid可以实现非阻塞的等待操作，有时希望取得子进程的状态改变信息，但不希望阻塞等待子进程状态改变◼waitpid支持作业控制（进程组控制 ）  

7 在进程中运行可执行文件

7.1 exec系列函数

◼进程调用exec系列函数在进程中加载执行另外一个可执行文件◼exec系列函数替换了当前进程（执行该函数的进程）的正文段、数据段、堆和栈（来源于加载的可执行文件）◼执行exec系列函数后从加载可执行文件的main函数开始重新执行◼exec系列函数并不创建新进程，所以在调用exec系列函数后其进程ID并未改变，已经打开的文件描述符不变◼execl execle execlp execv execve execvp◼六个函数开头均为exec，所以称为exec系列函数

• l：表示list，每个命令行参数都说明为一个单独的参数
• v：表示vector，命令行参数放在数组中
• e：表示由函数调用者提供环境变量表
• p：表示通过环境变量PATH来指定路径，查找可执行文件

7.2 execl函数

◼函数原型

• 头文件：unistd.h
• int execl(const char *pathname,const char *arg0, …,NULL);

◼参数

• pathname：要执行程序的绝对路径名
• 可变参数：要执行程序的命令行参数，以空指针结束

◼返回值

• 出错返回-1
• 成功该函数不返回！

7.3 execv函数

◼函数原型

• 头文件：unistd.h
• int execv(const char *pathname, char *const argv[]);

◼参数

• pathname：要执行程序的绝对路径名
• argv：数组指针维护的程序命令行参数列表，该数组的最后一个成员必须为空指针

◼返回值

• 出错返回-1
• 成功该函数不返回

7.4 execle函数

◼函数原型

• 头文件：unistd.h
• int execle(const char *pathname, const char *arg0,… NULL, char *const envp[]);

◼参数

• pathname：要执行程序的绝对路径名
• 可变参数：要执行程序的命令行参数，以空指针结束
• envp指向环境字符串指针数组的指针，该数组的最后一个成员必须为空指针

◼返回值

• 出错返回-1
• 成功该函数不返回

7.5 其他exec函数

◼execve函数

• int execve(const char *pathname,char *const argv[], char *const envp[]);

◼execlp函数

• int execlp(const char *filename,const char *arg0, …,NULL);
• filename参数可以是相对路径（路径信息从环境变量PATH中获取）
• 例如默认环境变量中包含的PATH=/bin:/usr/bin:/usr/local/bin/

◼execvp函数

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

7.6 exec类函数之间的关系

8 Linux线程控制

8.1 线程的基本概念

 ◼ 进程的概念体现出两个特点：资源（代码和数据空间、打开的文件等）以及调度/执行。线程是进程内的独立执行代码的实体和调度单元◼ 一个进程内的所有线程共享进程的很多资源（这种共享又带来了同步问题）  

8.2 线程与进程的对比

◼线程只拥有少量在运行中必不可少的资源

• PC指针：标识当前线程执行的位置
• 寄存器：当前线程执行的上下文环境
• 栈：用于实现函数调用、局部变量（局部变量是私有的）

◼进程占用资源多，线程占用资源少，使用灵活 ◼线程不能脱离进程而存在，线程的层次关系，执行顺序并不明显，会增加程序的复杂度 ◼没有通过代码显示创建线程的进程，可以看成是只有一个线程的进程  

8.3 线程ID

 ◼同进程一样，每个线程也有一个线程ID◼进程ID在整个系统中是唯一的，线程ID只在它所属的进程环境中唯一◼线程ID的类型是pthread_t，在Linux中的定义：  

• typedef unsigned long int pthread_t（ /usr/include/bits/pthreadtypes.h）

◼pthread_self函数可以让调用线程获取自己的线程ID ◼函数原型

• 头文件：pthread.h
• pthread_t pthread_self();

◼返回调用线程的线程ID

8.4 线程的创建

◼pthread_create函数用于创建一个线程 ◼函数原型

• 头文件：pthread.h
• int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);

◼调用pthread_create函数的线程是所创建线程的父线程 ◼参数

• tidp：指向线程ID的指针，当函数成功返回时将存储所创建的子线程ID
• attr：用于指定线程属性（一般直接传入空指针NULL，采用默认线程属性）
• start_rtn：线程的启动例程函数指针，创建的线程首先执行该函数代码（可以调用其他函数）
• arg：向线程的启动例程函数传递信息的参数

◼返回值

• 成功返回0，出错时返回各种错误码

8.5 线程的终止

◼线程的三种终止方式

• 线程从启动例程函数中返回，函数返回值作为线程的退出码
• 线程被同一进程中的其他线程取消
• 线程在任意函数中调用pthread_exit函数终止执行

 线程终止函数◼函数原型

• 头文件：pthread.h
• void pthread_exit(void *rval_ptr);

◼参数

• rval_ptr：该指针将参数传递给pthread_join函数（与exit函数参数用法类似）

8.6 取消线程

◼线程调用该函数可以取消同一进程中的其他线程（即让该线程终止） ◼函数原型

• 头文件： pthread.h
• int pthread_cancel(pthread_t tid);

◼参数与返回值

• tid：需要取消的线程ID
• 成功返回0，出错返回错误编号

◼在默认情况下，pthread_cancel函数与被取消线程（ID等于tid的线程）自身调用pthread_exit函数（参数为PTHREAD_CANCELED）效果等同◼线程可以选择忽略取消方式或者控制取消方式◼pthread_cancel并不等待线程终止，它仅仅是提出请求

8.7 父线程等待子线程终止

◼函数原型

• 头文件：pthread.h
• int pthread_join(pthread_t thread,void **rval_ptr);

◼调用该函数的父线程将一直被阻塞，直到指定的子线程终止 ◼返回值

• 成功返回0，否则返回错误编号

8.7.1 pthread_join函数

◼参数

• thread：需要等待的子线程ID
• rval_ptr：（若不关心线程返回值，可直接将该参数设置为空指针）

            1.若线程从启动例程返回，rval_ptr将包含返回码            2.若线程被取消，rval_ptr指向的内存单元值置为PTHREAD_CANCELED            3.若线程通过调用pthread_exit函数终止，rval_ptr就是调用pthread_exit时传入的参数