[系统运维]Linux系统编程 | 【03】进程、环境变量、IPC

一、进程相关概念

1、程序和进程

• 程序：编译好的二进制文件；
• 进程：抽象概念，活跃的程序，占用资源，在内存中执行；
• 同一程序可加载为不同的进程；

2、并发

一个时间段中有多个进程都处于启动到结束之间的状态，在任一时刻都只有一个进程在运行。

3、单道程序设计

一次只能运行一个程序；

4、多道程序设计

• 同时存放几道相互独立的程序；
• 首先必须要有支持该硬件的基础；
• 时钟中断是其基础：强制让进程让出cpu，1秒可执行10亿条指令；

5、CPU和MMU

cpu工作原理

将命令传入到预取器中，后转到译码器进行译码，在传入算数逻辑单元执行，再将处理好的数据传到寄存器堆，最后再传回寄存器；

存储介质

MMU工作原理

• 位于cpu内部；
• 虚拟内存与物理内存的映射；
• 设置修改内存访问级别；

6、进程控制块PCB

每个进程在内核中都有一个PCB来维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体；

struct task_struct

• 进程id；
• 状态；
• 进程切换时需要保存和恢复的一些cpu寄存器；
• 描述虚拟地址空间的信息；
• 描述控制终端的信息；
• 当前工作目录；
• umask掩码；
• 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针；
• 和信号相关的信息；
• 用户id和组id；
• 会话和进程组；
• 进程可以使用的资源上限；

7、进程状态

初始态、就绪态、运行态、挂起态、终止态；

二、环境变量

• 在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数；
• 位置：位于用户区，高于stack的起始位置；
• 引入环境变量表：需要声明环境变量，extern char ** environ
• 存储形式：char *[] environ，NULL为结尾；

特征

• 字符串；
• 格式：名=值[:值]（多个值，则用冒号隔开）；
• 值用来描述进程环境信息；

1、常见环境变量

1.1 PATH

• 可执行文件的搜索路径。
• 例：ls命令也是一个程序，执行它不需要提供完整的路径名/bin/ls，然而通常我们执行当前目录下的程序a.out却需要提供完整的路径名/a.out，由于PATH环境变量的值里面包含了Is命令所在的目录/bin,却不包含a.out所在的目录。PATH 环境变量的值可以包含多个目录，用:号隔开。
• 在Shell中用echo命令可以查看这个环境变量的值：$ echo $PATH；

1.2 SHELL

当前shell：/bin/bash；

1.3 TERM

1.4 LANG

1.5 HOME

2、相关函数

2.1 getenv

获取环境变量值

char *getenv(const char *name);
char *secure_getenv(const char *name);

/*
* return: 返回一个指向环境中该值的指针，如果不匹配则返回NULL;
*/

2.2 setenv

设置/添加环境变量的值；

int setenv(char *name, const char *value, int overwrite)

/*
* @param overwrite: 1时，覆盖原环境变量，0时，不覆盖；
* return：成功返回0，失败返回-1；
*/

2.3 unsetenv

删除环境变量name的定义

int unsetenv(const char *name)

/*
* return: 成功返回0，失败返回-1，name不存在仍返回0
*/

三、进程控制

1、fork

通过复制创建一个子进程

pid_t fork(void);

/*
* return: 失败返回-1，成功返回：父进程返回子进程的ID以及子进程返回0
*/

2、getpid

返回调用进程的进程ID。 (生成唯一临时文件名的例程经常使用此方法)

pid_t getpid(void);

3、getppid

返回调用进程的父进程的进程ID。

pid_t getppid(void);

4、getuid

返回调用进程的真实用户ID。

uid_t getuid(void);

uid_t geteuid(void);
// 获取当前进程有效id

5、getgid

返回调用进程的真实组ID。

gid_t getgid(void);

6、进程共享

父子进程间，遵循读时共享写时复制原则；

fork后的相同之处：

• .data；
• .text；
• 栈；
• 堆；
• 环境变量；
• 用户ID；
• 宿主目录；
• 进程工作目录；
  信号处理方式；

相同之处：

• 进程ID；
• fork返回值；
• 父进程ID；
• 进程运行时间；
• 定时器；
• 未决信号集；

共享：

• 文件描述符（打开文件的结构体）；
• mmap建立的映射区。

7、gdb调试

gdb调试只能跟踪一个进程。可在fork函数调用前，通过gdb调试跟踪进程或其子进程，默认跟踪父进程；

• set follow-fork-mode child 命令设置gdb在fork之后跟踪父进程；
• set follow-fork-mode parent 设置跟踪父进程；

三、exec函数

子进程要调用一种exec函数执行另一个程序，并退出该程序；

• l：命令行参数列表；
• p：搜索file时使用path变量；
• v：使用命令参数数组；
• e：使用环境变量数组；

1、execlp

加载一个进程，借助PATH环境变量；

int execlp(const char *file, const char*arg...);

/*
eg: execl('ls', 'ls', '-l', '-a', NULL);
* @param file: 要加载的程序名。配合PATH来使用，当在PATH中所有目录搜索后无该参数则返回-1；
* return: 只在错误的时候返回-1
*/

2、execl

加载一个进程；与execpl的差别就在于第一个参数；

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
/*
* @param path: 路径+程序名；
* return: 成功无返回，失败返回-1；
*/

四、回收子进程

1、孤儿进程

父进程先于子进程结束，则子进程为孤儿进程，子进程的父进程成为init进程，称为init进程领养孤儿进程；

2、僵尸进程

• 进程终止，父进程尚未收回，子进程残留PCB在内核中；
• kill不能终止僵尸进程，因为僵尸进程已终止。

3、wait函数

父进程可调用wait获取，在清除该进程。

• 阻塞等待子进程退出；
• 回收子进程残留资源；
• 获取子进程结束状态（退出原因）。

pid_t wait(int *status);


/*
* @param status: 为传出参数，子进程状态；
* 	- WIFEXITED为(status)非0 - 进程正常结束；
* 	- WEXITSTATUS(status) - 上一个宏为真，则获取进程退出状态，exit的参数；
* 	- WIFSIGNALED(status) - 进程异常终止；
* 	- WTERMSIG(status) - 上一个宏为真，则取得使进程终止的那个信号的编号；
* return: 返回终止子进程的进程ID; 出错时，返回-1；
*/

4、waitpid函数

作用与wait相同，指定pid进程清理，可不阻塞；

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

/*
* @param pid: 
* 	>0 - 回收指定ID的子进程；
* 	-1 - 回收任意子进程(=wait)；
* 	 0 - 回收和当前调用waitpid一个组的所有子进程；
*  <-1 -回收指定进程组内的任意子进程；
* return: 成功返回清理的子进程，失败返回-1(无子进程)，返回0参数3为WONHANG，且子进程正在运行；
*/

5、案例

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

int main(){
    pid_t pid, wpid;
    int status;
    //for(int i=0; i<5; i++)
    pid = fork();

    if(pid == 0){
        // 子进程, getppid获取父进程ID
        std::cout << "我是子进程，父进程为：" << getppid() << std::endl; 
        //sleep(20);
        exit(1);
    }else if(pid == -1){
        // 失败
        std::cout << "error" << std::endl;
    }else{
        wpid = wait(&status);
        // 异常退出
        if(WIFSIGNALED(status) != 0){
            std::cout << "子进程的异常退出状态：" << WTERMSIG(status) << std::endl;
        } 
        // 正常退出
        if(WIFEXITED(status)){
            std::cout << "子进程的正常退出状态：" << WEXITSTATUS(status) << std::endl;
        }
        while(1){
            std::cout << "父进程ID：" << getpid() << "子进程为L: "<< pid << std::endl;
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

五、IPC方法

Linux下进程是相互独立的，不能相互访问。若要交换数据则需要通过内核，在内核开辟一块缓冲区，将进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，该机制为IPC进程间通信。

常用的通信方式：

• 管道 - 最简单；
• 信号 - 开销最小；
• 共享映射区 - 无血缘关系；
• 本地套接字 - 最稳定。

1、管道

• 其本质是一个伪文件（实为内核缓冲区4k）；
• 由俩个文件描述符引用，一个读端，一个写端；
• 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出；

局限性：

• 数据自己读不能自己写；
• 数据被读走，便不在管道中存在，不可反复读取；
• 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能再一个方向上流动；
• 只能再有公共祖先的进程间使用管道；

常用通信方式：

• 单工通信：只能发生信号 - 遥控器；
• 半双工通信：单向发生或接收 - 微信；
• 全双工通信：双向发生接收 - 通话；

1.1 pipe

创建一个管道；

int pipe(int pipefd[2]);

/*
* @param pipefd:
* 	pipefd[0]指的是管道的读端
* 	pipefd[1]指到管道的写入端
* return: 成功返回0，失败返回-1
*/

1.2 案例

#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<iostream>
#include<cstring>
/*
 *  1、创建子进程，管道
 *  2、将子进程设为读、父进程设为写
 *  3、通过管道实现进程间通信
 * */
int main(int argc, char *argv[]){
    pid_t pid;
    int fd[2];

    int ret = pipe(fd);
    if(ret == -1){
        std::cout << "pipe create error..." << std::endl;
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if(pid == -1){
        std::cout << "child process error..." << std::endl;
        exit(1);
    }else if(pid == 0){ // 子进程
        std::cout << "child process id: " << getpid() << std::endl;
        close(fd[1]); // 关闭写操作
        char buf[1024];
        ret = read(fd[0], buf, 1024);
        if(ret == -1){
            std::cout << "file read error..." << std::endl; 
            exit(1);
        }
        // 将读到的数据输出
        write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
    }else{ // 父进程
        close(fd[0]); // 关闭读操作
        std::string myStr = "test pipe\n";
        write(fd[1], myStr.c_str(), myStr.size());
    }

    return 0;
}

2、共享存储映射

2.1存储映射I/O

• 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射（相当于从缓冲区取数据）。类似于，将数据存入缓冲区，则相应字节就自动写入文件，即使用I/O地址操作；
• 首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域，可通过mmap函数实现；

2.2 mmap

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
                  int fd, off_t offset);

/*
* @param addr: 建立映射区的首地址，有Linux内核指定，使用时，传入NULL即可；
* @param length: 指定映射的长度;
* @param prot：映射区权限；
* 	- PROT_NONE: 
* 	- PROT_EXEC: 可能被执行；
* 	- PROT_READ: 读取；
* 	- PROT_WRITE: 写；
* 	- PROT_NONE: 无法访问；
* @param flags: 标志位参数（用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区）
* 	- MAP_SHARED：会将映射区所做的操作反映到物理设备上；
* 	- MAP_PRIVATE：映射区所做的修改不会反映到物理设备；
* @param fd：用来建设映射区的文件描述符；
* @param offset：映射文件的偏移（4k的整数倍）；
* return: 返回一个指向映射区域的指针，失败返回MAP_FAILED;
*/

2.3 munmap

系统调用删除指定地址范围的映射，并导致对在产生无效内存引用的范围内的地址。 该区域也会自动取消映射进程终止。

int munmap(void *addr, size_t length);

/*
* @param addr: map的返回值；
* return: 失败返回0；
*/

2.4 常见问题

• 映射区大小不能为0；
• 创建映射区的权限要 <= 文件打开的权限，映射区的创建隐含着对文件的读操作；
• offset必须是4k的整数倍；
• 映射区的释放与文件关闭无关，只要映射建立成功，文件即可关闭；
• munmap传入的第一个参数一定是mmap返回的地址；

2.5 案例

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <cstring>

/*
 * 1、打开文件，并获取文件大小
 * 2、创建映射区
 * 3、
 * */
int main(int argc, char *argv[]){

    char *p = NULL;
    int fd = open("test.txt", O_CREAT|O_RDWR, 0644); // 打开/创建文件
    if(fd < 0){
        std::cout << "open error..." << std::endl;
        exit(1);
    }

    // 拓展文件大小
    int ret = ftruncate(fd, 4);
    if(ret == -1){
        std::cout << "ftruncate error..." << std::endl;
        exit(1);
    }
    // 创建映射区，注意c++中需要强转
    p = (char *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(p == MAP_FAILED){
        std::cout << "mmap error..." << std::endl;
        exit(1);
    }

    std::cout << "-----------------------" << std::endl;
    strcpy(p, "test\n");
    ret = munmap(p, 4);
    if(ret == -1){
        std::cout << "munmap error..." << std::endl;
        exit(1);
    }
    std::cout << "over............." << std::endl;
    close(fd);

    return 0;
}

2.6 mmap父子进程通信

有血缘关系的进程可通过mmap建立的映射区来完成数据通信，需要设置对应的flag：

• MAP_PRIVATE：（私有映射）父子进程各自独占映射区；
• MAP_SHARED：（共享映射）父子进程共享映射区；

• 结论：
  • 打开的文件；
  • mmap建立的映射区，需要用MAP_SHAPED

案例：

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/mman.h>

int t_val = 1; 

/*
*结论：
*    打开的文件；
*    mmap建立的映射区，需要用`MAP_SHAPED`
*/
int main(int argc, char *argv[]){

    pid_t pid; // 存储fork返回的子进程ID
    
    int fd = open("temp.txt", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
    if(fd < 0){
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    /*
     *  删除临时文件目录项，让所有占用该文件的进程都结束后被删除
     * */
    unlink("temp.txt"); 
    ftruncate(fd, 4);

    int *p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    close(fd); // 映射区建立好即可关闭

    pid = fork();
    if(pid == 0){
        // 子进程返回
        *p = 1000;
        t_val = 200;
        std::cout << "child: " << getpid() << "*p: " << *p << "t_val: " << t_val << std::endl;
    }else if(pid < 0){
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else{
        sleep(1);
        std::cout << "parent: " << getppid() << "  child: " << pid <<  "  *p: " << *p << "  t_val: " << t_val << std::endl;
        wait(NULL);
        
        int ret = munmap(p, 4);
        if(ret == -1){
            perror("munmap error");
            exit(1);
        }
    } 
    std::cout << "---------------" << std::endl;
    return 0;
}

2.7 匿名映射

无需依赖一个文件即可创建映射区，且需要标志位来flag来指定；

• flag只需或上：MAP_ANONYMOUS/MAP_ANON；
• 文件描述符使用-1代替；
• 是linux系统特有的；

类UNIX系统中

• 需要借助 fd = open("/dev/zero", O_RDWR)
• 该文件无大小；

2.8 mmap无血缘关系进程间通信

写文件

#include<iostream>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/mman.h>
#include<cstring>
#include<stdio.h>


/*@ 学生结构体 */
typedef struct STU{
    int id;
    char name[10];
    char sex;
}stu;

/* 写文件
 * 
 * */
int main(int argc, char *argv[]){
    
    STU student = {10, "xiaoming", 'm'};
    char *mm;
    
    if(argc < 2){
        std::cout << "./a.out file_shared" << std::endl;
        exit(-1);
    }
    // 打开文件
    int fd = open(argv[1], O_RDWR|O_CREAT, 0644);
    ftruncate(fd, sizeof(student));

    // 建立映射区
    mm = (char *)mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(mm == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        exit(-1);
    }
    
    close(fd);

    while(1){
        memcpy(mm, &student, sizeof(student));
        student.id++;
        std::cout << "write..." << std::endl;
        sleep(1);
    }

    munmap(mm, sizeof(student));
    return 0;
}

读文件

#include<iostream>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/mman.h>
#include<cstring>
#include<sys/mman.h>
#include<stdio.h>
/*@ 学生结构体  */
typedef struct stu{
    int id;
    char name[10];
    char sex;
}STU;


/* 读文件
 * 
 * */
int main(int argc, char *argv[]){
    
    STU student;
    STU *st;

    if(argc < 2){
        std::cout << "a.out file_sharead\n" << std::endl;
        exit(-1);
    }

    // 只读模式，打开文件
    int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if(fd == -1){
        perror("open error");
        exit(-1);
    }

    // 建立映射，建立通信
    st = (STU *)mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(st == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        exit(-1);
    }
    close(fd);
    
    // 打印数据
    while(1){
        std::cout << "id: " << st->id << "name: " << st->name << "性别: " << st->sex << std::endl;
        sleep(2);
    }
    // 终止映射
    munmap(st, sizeof(student));

    return 0;
}