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論文：Linux進程和線程的基礎(chǔ)與管理
一、進程的基本概念
程序是為了完成某種任務(wù)而設(shè)計的軟件，比如vi是程序。什么是進程呢? 進程就是運行中的程序。一個運行著程序，可能有多個進程。比如Web服務(wù)器是Apache服務(wù)器，當管理員啟動服務(wù)后，可能會有好多人來訪問，也就是說許多用戶同時請求httpd，Apache服務(wù)器將會創(chuàng)建多個httpd進程來對其進行服務(wù)。
首先我們看看進程的定義。進程是一個具有獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次可以并發(fā)執(zhí)行的運行活動，是處于活動狀態(tài)的計算機程序。進程作為構(gòu)成系統(tǒng)的基本細胞，不僅是系統(tǒng)內(nèi)部獨立運行的實體，而且是獨立競爭資源的基本實體。了解進程的本質(zhì)，對于理解、描述和設(shè)計操作系統(tǒng)有著極為重要的意義。了解進程的活動、狀態(tài)，也有利于編制復(fù)雜程序。
二、進程的屬性
進程的定義：一個進程是一個程序的一次執(zhí)行的過程；程序是靜態(tài)的，它是一些保存在磁盤上的可執(zhí)行的代碼和數(shù)據(jù)集合；進程是一個動態(tài)的概念，它是Linux系統(tǒng)的基本的調(diào)度單位。
一個進程由如下元素組成：
程序讀取的上下文，它表示程序讀取執(zhí)行的狀態(tài)。 程序當前執(zhí)行的目錄。 程序服務(wù)的文件和目錄。 程序訪問的權(quán)限。 內(nèi)存和其他分配給進程的系統(tǒng)資源。
Linux進程中最知名的屬性就是它的進程號（Process Idenity Number，PID）和它的父進程號（Parent Process ID,PPID）。PID、PPID都是非零正整數(shù)。一個PID唯一地標識一個進程。一個進程創(chuàng)建新進程稱為創(chuàng)建了子進程（Child Process）。相反地，創(chuàng)建子進程的進程稱為父進程。所有進程追溯其祖先最終都會落到進號為1的進程身上，這個進程叫做init進程，是內(nèi)核自舉后第一個啟動的進程。init進程扮演終結(jié)父進程的角色。因為init進程永遠不會終止，所以系統(tǒng)總是可以確信它的存在，并在必要的時候以它為參照。如果某個進程它在衍生出來的全部子進程結(jié)束之前被終止，就會出現(xiàn)必須以init為參照的情況。此時那些失去了父進程的子進程就都會以init作為它們的父進程。如果執(zhí)行一下ps-af命令，可以列出許多父進程ID為1的進程來。Linux提供了一條pstree命令，允許用戶查看系統(tǒng)內(nèi)正在運行的各個進程之間的繼承關(guān)系。直接在命令行中輸入pstree即可，程序會以樹狀結(jié)構(gòu)方式列出系統(tǒng)中正在運行的各進程之間的繼承關(guān)系。
三、理解Linux下進程的結(jié)構(gòu)
Linux中一個進程在內(nèi)存里有三部分數(shù)據(jù)，就是“數(shù)據(jù)段”、“堆棧段”、“代碼段”。基于I386兼容的中央處理器，都有上述三種段寄存器，以方便操作系統(tǒng)的運行，如下圖所示。
代碼段
數(shù)據(jù)段
堆棧段
代碼段是存放了程序代碼的數(shù)據(jù)，假如機器中有數(shù)個進程運行相同的一個程序，那么它們就可以使用同一個代碼段。而數(shù)據(jù)段則存放程序的全局變量、常數(shù)及動態(tài)數(shù)據(jù)分配的數(shù)據(jù)空間。堆棧段存放的就是子進程的返回地址、子程序的參數(shù)及程序的局部變量。堆棧段包含在進程控制塊PCB（Process Control Block）中。PCB處于進程核心堆棧的底部，不需要額外分配空間。
四、進程狀態(tài)
現(xiàn)在我們來看看，進程在生存周期中的各種狀態(tài)及狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。下面是Linux系統(tǒng)的進程狀態(tài)模型的各種狀態(tài)。
用戶狀態(tài)：進程在用戶狀態(tài)下運行的狀態(tài)。 內(nèi)核狀態(tài)：進程在內(nèi)核狀態(tài)下運行的狀態(tài)。 內(nèi)存中就緒：進程沒有執(zhí)行，但處于就緒狀態(tài)，只要內(nèi)核調(diào)度它，就可以執(zhí)行。 內(nèi)存中睡眠：進程正在睡眠并且進程存儲在內(nèi)存中，沒有被交換到SWAP設(shè)備。 就緒且換出：進程處于就緒狀態(tài)，但是必須把它換入內(nèi)存，內(nèi)核才能再次調(diào)度它運行。 睡眠且換出：進程正在睡眠，且被換出內(nèi)存。 被搶先：進程從內(nèi)核狀態(tài)返回用戶狀態(tài)時，內(nèi)核搶先于它做了上下文切換，調(diào)度了另一個進程。原先這個進程就處于被搶先狀態(tài)。 僵死狀態(tài)（zombie）：進程調(diào)用exit結(jié)束，進程不再存在，但在進程表項中仍有記錄，該記錄可由父進程收集。
現(xiàn)在我們從進程的創(chuàng)建到退出來看看進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。需要說明的是，進程在它的生命周期里并不一定要經(jīng)歷所有狀態(tài)。
五、Linux進程的創(chuàng)建
fork函數(shù)在Linux下產(chǎn)生新的進程的系統(tǒng)調(diào)用，這個函數(shù)名是英文中“分叉”的意思。為什么取這個名字呢? 因為一個進程在運行中，如果使用了fork，就產(chǎn)生了另一個進程，于是進程就“分叉”了，所以這個名字取得很形象。fork的語法如下所示：
#include
#include
pid_t fork();
在Linux網(wǎng)絡(luò)編程中經(jīng)常用到fork()系統(tǒng)調(diào)用。例如在一個客戶機/Web服務(wù)器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，Web服務(wù)器往往可以滿足許多客戶端的請求。如果一個客戶機要訪問Web服務(wù)器，需要發(fā)送一個請求，此時由服務(wù)器生成一個父進程，然后父進程通過fork()系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生一個子進程，此時客戶機的請求由子進程完成。父進程可以再度回到等待狀態(tài)不斷服務(wù)其他客戶端。原理如下圖所示。
有一個更簡單的執(zhí)行其他程序的函數(shù)system，參數(shù)string傳遞給一個命令解釋器（一般為sh）執(zhí)行，即string被解釋為一條命令，由sh執(zhí)行該命令。若參數(shù)string為一個空指針，則檢查命令解釋器是否存在。該命令可以和同命令行下的命令形式相同，但由于命令作為一個參數(shù)放在系統(tǒng)調(diào)用中，應(yīng)注意編譯時對特殊意義字符的處理。命令的查找是按PATH環(huán)境變量的定義執(zhí)行的。命令所生成的后果一般不會對父進程編程造成影響。返回值：當參數(shù)為空指針時，只有當命令解釋器有效時返回值為非零。若參數(shù)不為空指針，返回值為該命令的返回狀態(tài)（同waitpid()）的返回值。命令無效或語法錯誤則返回非零值，所執(zhí)行的命令被終止。其他情況則返回－1.它是一個較高層的函數(shù)，實際上相當于在shell下執(zhí)行一條命令，除了system之外，系統(tǒng)調(diào)用exec來執(zhí)行一個可執(zhí)行文件，來代替當前進程的執(zhí)行映像。系統(tǒng)調(diào)用exit的功能是終止發(fā)出調(diào)用的進程。sleep函數(shù)調(diào)用用來指定進程掛起的秒數(shù)。wait函數(shù)族用來等待和控制進程。poppen函數(shù)和system函數(shù)類似，區(qū)別是它用管道方式處理輸出。
父進程和子進程的關(guān)系是管理和被管理的關(guān)系，當父進程終止時，子進程也隨之而終止。但子進程終止時，父進程并不一定終止。比如httpd服務(wù)器運行時，我們可以殺掉其子進程，父進程并不會因為子進程的終止而終止。
六、進程的管理
1、啟動進程
輸入需要運行的程序的程序名，執(zhí)行一個程序，其實也就是啟動了一個進程。在Linux系統(tǒng)中，每個進程都具有一個進程號（PID），用于系統(tǒng)識別和調(diào)度進程。啟動一個進程有兩個主要途徑：手工啟動和調(diào)度啟動，后者是事先進行設(shè)置，根據(jù)用戶要求自動啟動。由用戶輸入命令，直接啟動一個進程便是手工啟動進程。但手工啟動進程又可以分為很多種，根據(jù)啟動的進程類型不同；性質(zhì)不同，實際結(jié)果也不一樣。
（1）前臺啟動
前臺啟動是手工啟動一個進程的最常用的方式。用戶鍵入一個命令“df”，就已經(jīng)啟動了一個進程，而且是一個前臺的進程。這時候系統(tǒng)其實已經(jīng)處于多進程狀態(tài)。有許多運行在后臺的、系統(tǒng)啟動時就已經(jīng)自動啟動的進程正在悄悄運行著。有的用戶在鍵入“df”命令以后趕緊使用“ps -x”查看，卻沒有看到df進程，會覺得很奇怪。其實這里因為df這個進程結(jié)束太快，使用ps查看時該進程已經(jīng)執(zhí)行結(jié)束了。如果啟動一個比較耗時的進程，例如在根命令下運行：find，然后使用ps aux查看，就會看到在里面有一個find進程。
（2）后臺啟動
直接從后臺手工啟動一個進程用得比較小一些，除非是該進程甚為耗時，且用戶也不急著需要結(jié)果。假設(shè)用戶要啟動一個需要長時間運行的格式化文本文件的進程，為了不使整個shell在格式化過程中都處于“癱瘓”狀態(tài)，從后臺啟動這個進程是明智的選擇。
2、進程調(diào)度
當需要中斷一個前臺進程的時候，通常使用Ctrl+C組合鍵。但是對于一個后臺進程，就不是一個組合鍵所能解決的了，這時就必須使用kill命令。該命令可以終止后臺進程。至于終止后臺進程的原因有很多，或許是該進程占用的CPU時間過多；或許是該進程已經(jīng)掛死。這種情況是經(jīng)常發(fā)生的。kill命令的工作原理是：向Linux系統(tǒng)的內(nèi)核發(fā)送一個系統(tǒng)操作信號和某個程序的進程標識號，然后系統(tǒng)內(nèi)核就可以對進程標識號指定的進程進行操作。
七、Linux的第一個進程：init
init是Linux系統(tǒng)執(zhí)行的第一個進程，進程ID為1,是系統(tǒng)所有進程的起點，主要用來執(zhí)行一些開機初始化腳本和監(jiān)視進程。Linux系統(tǒng)在完成核內(nèi)引導(dǎo)以后就開始運行init程序，init程序需要讀取配置文件/etc/inittab。Inittab是一個不可執(zhí)行的文本文件，它由若干行命令所組成。
在RHEL 4系統(tǒng)中，inittab配置文件的內(nèi)容如下所示：
#
#inittab
#
#
#author
#
#Default runlevel.the runlevels used by rhs are:
#0 - halt (do not set initdefault to this)
#1 - single user mode
#2 - multiuser,without nfs (the same as 3, if you do not haver networking)
#3 - full multiuser mode
#4 - unused
#5 - X11
#6 - reboot (do not set initdefault to this)
#
//表示當前缺省運行級別為5,啟動系統(tǒng)進入圖形化界面
id:5:initdefault:
//啟動時自動執(zhí)行/etc/rc.d/rc.sysinit腳本
#system initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
10:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
11:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
12:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
13:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
14:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
//當運行級別為5時，以5為參數(shù)運行/etc/rc.d/rc腳本，init將等待其返回
15:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
16:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
//在啟動過程中允許按[ctrl-alt-]重啟系統(tǒng)
#trap ctrl-alt-
ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
#
..................................
#
//在運行級別2、3、4、5以上ttyX為參數(shù)執(zhí)行/sbin/mingetty程序，打開ttyX終端用于用戶登錄，如果進程退出則再次運行mingetty程序
#run gettys in standard runlevels
1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
//在級別5上運行xdm程序，提供xdm圖形方式登錄界面，并在退出時重新執(zhí)行
x:5:respawn:/etc/x11/prefdm -nodaemon
#run xdm in runleverl 5
Inittab配置文件每行的基本格式如下。
id:runlevels:action:procees
其中某些部分可以為空，下面我們逐一介紹。
1、id
1~2個字符，配置行的惟一標識，在配置文件中不能重復(fù)。
2、runlevels
配置行適用的運行級別，在這里可填入多個運行級別，比如12345或者35等。
Linux有7個運行級別：
0：關(guān)機
1：單用戶字符界面
2：不具備網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）功能的多用戶字符界面
3：具有網(wǎng)絡(luò)功能的多用戶字符界面
4：保留不用
5：具有網(wǎng)絡(luò)功能的圖形用戶界面
6：重新啟動系統(tǒng)
3、action
init有如下幾種行為，如下表所示。
init行為
行為
描述
respawn
啟動并監(jiān)視第4項指定的process，若process終止則重啟它
wait
執(zhí)行第4項指定的process，并等待它執(zhí)行完備
once
執(zhí)行第4項指定的process
boot
不論在哪個執(zhí)行等級，系統(tǒng)啟動時都會運行第4項指定的process
bootwait
不論在哪個執(zhí)行等級，系統(tǒng)啟動時都會運行第4項指定的process，且一直等它執(zhí)行完備
off
關(guān)閉任何動作，相當于忽略該配置行
ondemand
進入ondemand執(zhí)行等級時，執(zhí)行第4項指定的process
initdefault
系統(tǒng)啟動后進入的執(zhí)行等級，該行不需要指定process
sysinit
不論在哪個執(zhí)行等級，系統(tǒng)會在執(zhí)行boot及bootwait之前執(zhí)行第4項指定的process
powerwait
當系統(tǒng)的供電不足時執(zhí)行第4項指定的process，且一直等它執(zhí)行完備
powerfailnow
當系統(tǒng)的供電嚴重不足時執(zhí)行第4項指定的process
ctrlaltdel
當用戶按下ctrl+alt+del 時執(zhí)行的操作
kbrequest
當用戶按下特殊的組合鍵時執(zhí)行第4項指定的process，此組合鍵需在keymaps文件定義
4、process
Process為init執(zhí)行的進程，這些進程都保存在目錄/etc/rc.d/rcX中，其中的X代表運行級別，rc程序接收X參數(shù)，然后運行/etc/rc.d/rc.X下面的程序。使用如下命令可以查看/etc/rc.d目錄內(nèi)容。
#ls –l /etc/rc.d/
total 112
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 init.d
-rxwr-xr-x 1 root root 2352 2004-3-17 rc
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 rc0.d
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 rc1.d
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 rc2.d
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 rc3.d
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 rc4.d
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 rc5.d
drwxr-xr-x 2 root root 4096 3/15 14:44 rc6.d
-rxwr-xr-x 1 root root 2200 2004-3-17 rc.local
-rxwr-xr-x 1 root root 2352 2004-3-17 rc.sysinit
…………
使用如下命令查看/etc/rc.d/rc5.d的內(nèi)容。
#ls –l /etc/rc.d/rc5.d
這些文件都是符號鏈接，以S打頭的標識啟動該程序，而以K打頭的標識終止該程序，后面的數(shù)字標識執(zhí)行順序，越小越先執(zhí)行，剩下的標識程序名。系統(tǒng)啟動或者切換到該運行級別時會執(zhí)行以S打頭的程序，系統(tǒng)切換到該運行級別時會執(zhí)行以K打頭的程序。
這個目錄下的程序可通過chkconfig程序進行管理，當然這個目錄下的程序需要符合一定規(guī)范，如果了解shell編程，可以查看這些符號鏈接所指向的程序的源碼。
init也是一個進程，和普通的進程具有一樣的屬性。比如修改了/etc/inittab，想讓修改馬上生效，可通過運行“kill-SIGHUP 1”來實現(xiàn)，也可通過運行“init q”來實現(xiàn)。
八、Linux的線程簡介
1、Linux線程的定義
線程（thread）是在共享內(nèi)存空間中并發(fā)的多道執(zhí)行路徑，它們共享一個進程的資源，如文件描述和信號處理。在兩個普通進程（非線程）間進行切換時，內(nèi)核準備從一個進程的上下文切換到另一個進程的上下文要花費很大的開銷。這里上下文切換的主要任務(wù)是保存老進程CPU狀態(tài)并加載新進程的保存狀態(tài)，用新進程的內(nèi)存映像替換進程的內(nèi)存映像。線程允許你的進程在幾個正在運行的任務(wù)之間進行切換，而不必執(zhí)行前面提到的完整的上下文。另外本文介紹的線程是針對POSIX線程的，也就是Pthread。也因為Linux對它的支持最好，相對進程而言，線程是一個更加接近于執(zhí)行體的概念，它可以與同進程中的其他線程共享數(shù)據(jù)，但擁有自己的棧空間，擁有獨立的執(zhí)行序列。在串行程序基礎(chǔ)上引入線程和進程是為了提高程序的并發(fā)度，從而提高程序運行效率和響應(yīng)時間。也可以將線程和輕量級進程（LWP）視為等同的，但其實在不同的系統(tǒng)/實現(xiàn)中有不同的解釋，LWP更恰當?shù)慕忉尀橐粋�虛擬CPU或內(nèi)核的線程。它可以幫助用戶態(tài)線程實現(xiàn)一些特殊的功能。Pthread是一種標準化模型，它用來把一個程序分成一組能夠同時執(zhí)行的任務(wù)。
2、什么場合使用Pthread，即線程
（1）在返回前阻塞的I/O任務(wù)能夠使用一個線程處理I/O，同時繼續(xù)執(zhí)行其他處理任務(wù)。
（2）在有一個或多個任務(wù)受不確定性事件，比如網(wǎng)絡(luò)通信的可獲得性影響的場合，能夠使用線程處理這些異步事件，同時繼續(xù)執(zhí)行正常的處理。
（3）如果某些程序功能比其他的功能更重要，可以使用線程以保證所有功能都出現(xiàn)，但那些時間密集型的功能具有更高的優(yōu)先級。
以上三點可以歸納為：在檢查程序中潛在的并行性時，也就是說在要找出能夠同時執(zhí)行任務(wù)時使用Pthread。上面已經(jīng)介紹了，Linux進程模型提供了執(zhí)行多個進程的能力，已經(jīng)可以進行并行或并發(fā)編程，可是純種能夠讓你對多個任務(wù)的控制程序更好、使用資源更少，因為一個單一的資源，如全局變量，可以由多個線程共享。而且，在擁有多個處理器的系統(tǒng)上，多線程應(yīng)用會比用多個進程實現(xiàn)的應(yīng)用執(zhí)行速度更快。
3、Linux進程和線程的發(fā)展
1999年1月發(fā)布的Linux 2.2內(nèi)核中，進程是通過系統(tǒng)調(diào)用fork創(chuàng)建的，新的進程是原來進程的子進程。需要說明的是，在2.2.x版本中，不存在真正意義上的線程（thread）。Linux中常用的線程Pthread實際上是通過進程來模擬的。也就是說Linux中的線程也是通過fork創(chuàng)建的，是“輕”進程。Linux 2.2只默認允許4096個進程/線程同時運行。高端系統(tǒng)同時要服務(wù)上千個用戶，所以這顯然是一個問題，它一度是阻礙Linux進入企業(yè)級市場的一大因素。
2001年1月發(fā)布的Linux 2.4內(nèi)核消除了這個限制，并且允許在系統(tǒng)運行中動態(tài)調(diào)整進程數(shù)上限。因此，進程數(shù)現(xiàn)在只受制于物理內(nèi)存的多少。在高端服務(wù)器上，即使安裝了512MB內(nèi)存，現(xiàn)在也能輕而易舉地同時支持1萬6千個進程。
2003年12月發(fā)布的2.6內(nèi)核，進程調(diào)度經(jīng)過重新編寫，去掉了以前版本中效率不高的算法。以前，為了決定下一步要運行哪一個任務(wù)，進程調(diào)度程序要查看每一個準備好的任務(wù)，并且經(jīng)過計算機來決定哪一個任務(wù)相對來更為重要。進程標識號（PID）的數(shù)目也從32000升到10億。內(nèi)核內(nèi)部的大改變之一就是Linux的線程框架被重寫，以使NPTL（Native POSIX Thread Library）可以運行于其上。對于運行負荷繁重的線程應(yīng)用的Pentium Pro及更先進的處理器而言，這是一個主要的性能提升，也是企業(yè)級應(yīng)用中的很多高端系統(tǒng)一直以來所期待的。線程框架的改變包含Linux線程空間中的許多新的概念，包括線程組、線程各自的本地存儲區(qū)、POSIX風(fēng)格信號，以及其他改變。改進后的多線程和內(nèi)存管理技術(shù)有助于更好地運行大型多媒體應(yīng)用軟件。
4、總結(jié)
線程和進程在使用上各有優(yōu)缺點：線程執(zhí)行開銷小，但不利于資源的管理和保護；而進程正相反。同時，線程適合于在對稱處理器的計算機上運行，而進程則可以跨機器遷移。另外，進程可以擁有資源，線程共享進程擁有的資源。進程間的切換必須保存在進程控制塊PCB（Process Control Block）中。同一個進程的多個線程間的切換不用那么麻煩。最后一個實例來作為本文的結(jié)束：當你在一臺Linux PC上打開兩個OICQ，每一個OICQ是一個進程；而當你在一個OICQ上和多人聊天時，每一個聊天窗口就是一個線程。
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