Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)課件

1、Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件Unix程序設(shè)計基礎(chǔ) 第二講Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件上一講回顧n80386 CPU介紹n實(shí)模式與保護(hù)模式n特權(quán)級別n分段與分頁n系統(tǒng)調(diào)用原理n軟中斷引起特權(quán)級別的切換nint 80hn被封裝成一組C函數(shù)Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件上一講回顧nUnix下對文件與設(shè)備的操作n文件描述字n設(shè)備文件n文件操作系統(tǒng)調(diào)用n打開，創(chuàng)建，關(guān)閉文件n文件訪問權(quán)限n讀寫文件n文件定位Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件操作系統(tǒng)的重要概念：進(jìn)程n什么是進(jìn)程？nUnix下的進(jìn)程nUnix下的多進(jìn)程編程n進(jìn)程控制n信號處理n進(jìn)程間通信n特殊的進(jìn)程：線程Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件什么是

2、進(jìn)程？幾個定義：nAPUE: An executing instance of a program is called a process.n不準(zhǔn)確：程序一次運(yùn)行可以創(chuàng)建多個進(jìn)程n實(shí)質(zhì)上根本不對：在Unix下程序的運(yùn)行并不產(chǎn)生一個新進(jìn)程n我的定義：進(jìn)程是具有獨(dú)立地址空間的運(yùn)行單位Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件“獨(dú)立地址空間”很重要nUnix使用flat address，以32位系統(tǒng)為例，地址范圍從0 x0-0 xffffffff。任何地址都是虛擬地址，要通過頁面映射才能得到物理地址，這個過程對進(jìn)程來說是透明的，進(jìn)程看到的都是虛擬地址。n“獨(dú)立地址空間”是指各個進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間（在Li

3、nux下為0 x0-0 xbfffffff），而且任何進(jìn)程都只能訪問到自已經(jīng)的虛擬地址空間。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件進(jìn)程的并發(fā)性n宏觀上，所有進(jìn)程都是并發(fā)運(yùn)行的。n微觀上，除非是多處理器，否則不可能有兩個進(jìn)程在同時運(yùn)行。具體方法是時間片輪轉(zhuǎn)：一個進(jìn)程運(yùn)行一個時間片，就把CPU讓出來讓另一個進(jìn)程運(yùn)行。因?yàn)闀r間片很小，所以用戶看起來所有進(jìn)程都在運(yùn)行。n任何兩個不相關(guān)的進(jìn)程其推進(jìn)速度可能是任意的。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件并發(fā)帶來的好處與挑戰(zhàn)n很明顯好處：可以讓多個用戶分享CPU。對單用戶而言，也可同時運(yùn)行多個程序，如一邊上網(wǎng)一邊QQ。n更深層次的好處：充分利用CPU資源。n當(dāng)一個進(jìn)程在等

4、待數(shù)據(jù)時（從網(wǎng)絡(luò)，外部設(shè)備等），其它進(jìn)程可占用CPU。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件并發(fā)帶來的好處與挑戰(zhàn)n挑戰(zhàn)：并不是所有的事情都可以同時做。n兩個進(jìn)程同時寫一個文件，對于普通文件，文件某一個位置上的內(nèi)容是最后一次寫入的結(jié)果。好像還不太糟。n但如果這個文件是一臺打印機(jī)那將會怎么樣？可以想像打印出來的東西將不是任何一個進(jìn)程想得到的。n數(shù)據(jù)的不一致性。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件數(shù)據(jù)的不一致性n例：多個進(jìn)程通過共享內(nèi)存通信（一種進(jìn)程間通信方式，與地址空間獨(dú)立性無關(guān)），共享一塊物理地址。每個進(jìn)程都通過int *p映射到這塊物理地址。進(jìn)程每次獲取一個網(wǎng)頁，調(diào)用*p=*p1。最后*p的值就是多個進(jìn)程獲

5、取到的網(wǎng)頁總合。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件數(shù)據(jù)的不一致性n進(jìn)程1nmov eax, pninc eaxnmov p, eaxn進(jìn)程2nmov eax, pninc eaxnmov p, eax結(jié)果不是我們想要的，*p只被加了1！Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件數(shù)據(jù)的不一致性n因?yàn)?p是共享資源，因此對它寫操作應(yīng)該是互斥的。訪問文件也是類似。n在編寫多進(jìn)程或多線程程序時應(yīng)當(dāng)特別注意。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件Unix下的進(jìn)程n五種基本狀態(tài)n新建進(jìn)程正在被創(chuàng)建n就緒進(jìn)程正在等待被調(diào)度n運(yùn)行進(jìn)程正占用CPUn睡眠（阻塞）進(jìn)程正在等待一個事件，例如I/On僵死進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束，正在等待釋放資源$ p

6、s guax查看系統(tǒng)中的所有進(jìn)程的詳細(xì)情況Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件進(jìn)程ID與進(jìn)程間的關(guān)系nUNIX系統(tǒng)中所有進(jìn)程都有一個唯一的，稱為進(jìn)程標(biāo)識的正整數(shù)與之相聯(lián)，稱為進(jìn)程ID，簡稱PID。n除了init進(jìn)程（PID=1，所有進(jìn)程的祖先），任一進(jìn)程都有唯一的父進(jìn)程。n若干進(jìn)程可以屬于一個進(jìn)程組，進(jìn)程組也有一個唯一進(jìn)程組ID。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件Unix下的多進(jìn)程編程 分三個部分1、進(jìn)程控制2、信號處理3、進(jìn)程間通信（IPC)Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件進(jìn)程控制n進(jìn)程創(chuàng)建fork 函數(shù)原型：#include pid_t fork(void)

7、;UNIX下最優(yōu)美的函數(shù)。pid_t是一個unisigned int，是進(jìn)程號對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件進(jìn)程創(chuàng)建 “fork”的意思就是一分為二，把當(dāng)前進(jìn)程復(fù)制出一個新的進(jìn)程。當(dāng)前的進(jìn)程就是新進(jìn)程的父進(jìn)程，新進(jìn)程稱為子進(jìn)程。 fork把子進(jìn)程ID返回給父進(jìn)程，把0返回給子進(jìn)程，通過對返回值的檢查就可知道當(dāng)前是父進(jìn)程還是子進(jìn)程?？纯聪旅娴睦泳兔靼孜以谡f什么。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件#include #include #include int main(void) pid_t pid; if (pid = fork() 0) printf(“I am the parent

8、, my pid = %u, my childs pid = %un”, getpid(), pid); else if (pid = 0) printf(“I am the child, my pid = %u, my parents pid = %un”, getpid(), getppid(); else perror(“fork”); return 1; return 0;Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件進(jìn)程創(chuàng)建n一般結(jié)構(gòu)： if (pid = fork() 0)parents code; else if (pid = 0)childs code; elseerror handling;

9、n父進(jìn)程打開的文件描述字將被子進(jìn)程繼承。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件進(jìn)程創(chuàng)建n獲得當(dāng)前進(jìn)程id: getpid獲得父進(jìn)程id: getppid函數(shù)原型：#include pid_t getpid(void);pid_t getppid(void);Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件執(zhí)行一個新程序n執(zhí)行程序系統(tǒng)調(diào)用execve函數(shù)原型：#include int execve(const char *path, const char *argv, const char *envp);Unix還提供其它幾個執(zhí)行程序函數(shù)，execl，execlp，execle，execv，execvp都不是系統(tǒng)調(diào)用，依

10、賴于execve。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件執(zhí)行一個新程序npath，執(zhí)行的文件nargv，參數(shù)表nenvp，環(huán)境變量表，一般直接用environ就行如：char *argv = “gcc”, “-g”, “-c”, “rbtree.c”, NULL;execve(“/usr/bin/gcc”, argv, environ);Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件執(zhí)行一個新程序 execve啟動一個新的程序，新的地址空間完全覆蓋當(dāng)前進(jìn)程的地址空間，但當(dāng)前進(jìn)程把開的文件描述字（除非特別設(shè)置），當(dāng)前工作目錄等將被繼承。 execve只返回負(fù)值表示調(diào)用失敗，如果成功的話將永不返回。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)P

11、PT課件shell執(zhí)行程序的原理 敲入命令： $ ps shell進(jìn)程到底做了什么事？ 1、等待用戶輸入 （等待I/O，睡眠狀態(tài)） 2、獲得輸入ps 3、fork()；子進(jìn)程把自己放到前臺，并調(diào)用execve(“ps”, )；父進(jìn)程把子進(jìn)程放入前臺，并等待子進(jìn)程結(jié)束（父進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài) ） 4、子進(jìn)程結(jié)束，父進(jìn)程得到子進(jìn)程的結(jié)束狀態(tài)信息，并把自己放到前臺，回到1。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件shell執(zhí)行程序的原理n由此可以看出，進(jìn)程被創(chuàng)建的原因是因?yàn)閒ork被調(diào)用，而execve只是把當(dāng)前進(jìn)前的地址空間替換成新程序的地址空間。因此，不能說“進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行”，“程序的執(zhí)行”只是地址空間

12、的替換。n思考: 在3中為什么既要父進(jìn)程把子進(jìn)程放到前臺，又要子進(jìn)程把自己放到前臺？n有興趣的話可以自己編寫一個shell。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件等待進(jìn)程完成n子進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束后（正?；虍惓＃?，它并沒有馬上從系統(tǒng)的進(jìn)程分配表中被刪掉，而是進(jìn)入僵死狀態(tài)（Zombie），一直等到父進(jìn)程來回收它的結(jié)束狀態(tài)信息。n如果父進(jìn)程沒有回收走子進(jìn)程的結(jié)束狀態(tài)就已經(jīng)退出，子進(jìn)程將永遠(yuǎn)處于僵死狀態(tài)；也有例外，如父進(jìn)程先于子進(jìn)程結(jié)束，子進(jìn)程將被init進(jìn)程繼承，并回init進(jìn)程回收其結(jié)束狀態(tài)信息。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件等待進(jìn)程完成n回收子進(jìn)程結(jié)束狀態(tài)信息wait, waitpid 函數(shù)原型：#incl

13、ude pid_t wait(int *stat_loc);pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件等待進(jìn)程完成 當(dāng)進(jìn)程調(diào)wait，它將進(jìn)入睡眠狀直到有一個子進(jìn)程結(jié)束。wait函數(shù)返回子進(jìn)程的進(jìn)程id，stat_loc中返回子進(jìn)程的退出狀態(tài)。 waitpid的第一個參數(shù)pid的意義： pid 0: 等待進(jìn)程id為pid的子進(jìn)程。 pid = 0: 等待與自己同組的任意子進(jìn)程。 pid = -1: 等待任意一個子進(jìn)程 pid 0) parents code; wait(); else if (pid

14、= 0) childs code;else error handling;return xxx;Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件信號處理n概念：信號是Unix操作系統(tǒng)用來通知進(jìn)程發(fā)生了某種事件的一種手段。nUnix程序設(shè)計教程：信號也稱為軟中斷。n注意與上節(jié)課中講的軟中斷區(qū)分。n事件的種類包括：程序錯誤類，程序中止類，鬧鐘類，I/O類，作業(yè)控制類，操作錯誤類，其它n在/usr/include/asm/signal.h中列出所有的信號名（SIGxxx）。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件信號處理n當(dāng)進(jìn)程接收到一個信號（可能是自己發(fā)出，也可能是別的有權(quán)限的進(jìn)程發(fā)出），它可以采取的動作可以是下面任意一種：

15、n忽略信號：SIGSTOP與SIGKILL除外。n捕獲信號：當(dāng)信號出現(xiàn)時調(diào)用專門提供的一個函數(shù)，這個函數(shù)稱為信號號柄。SIGSTOP與SIGKILL除外。n執(zhí)行信號的默認(rèn)動作。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件幾個常見的信號nSIGINT: 前臺程序執(zhí)行過程中按下Ctrl-c就會向它發(fā)出SIGINT信號，默認(rèn)動作終止進(jìn)程。nSIGKILL: 立即中止進(jìn)程，不能被捕獲或忽略。nSIGTERM: kill命令默認(rèn)的中止程序信號。nSIGQUIT: Ctrl-發(fā)出的信號，默認(rèn)動作終止進(jìn)程并生成core文件。nSIGALRM: 定時器到期，可用alarm函數(shù)來設(shè)置定時器。默認(rèn)動作終止進(jìn)程。Unix程序設(shè)計

16、基礎(chǔ)PPT課件幾個常見的信號nSIGCHLD: 子進(jìn)程終止或停止，默認(rèn)動作為忽略。nSIGSTOP: 停止進(jìn)程。不可忽略或捕獲。nSIGCONT: 繼續(xù)被停止進(jìn)程。不可忽略。nSIGTSTP: Ctrl-z向程序發(fā)出的停止信號。nSIGUSR1、SIGUSR2: 程序可利用信號。默認(rèn)動作終止進(jìn)程。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件設(shè)置信號動作系統(tǒng)調(diào)用n設(shè)置信號動作signal，sigaction。 函數(shù)原型： #include void (*signal(int sig, void (*func)(int)(int); int sigaction(int sig, const struct sig

17、action *act, struct sigaction *oact); signal函數(shù)的聲明有點(diǎn)復(fù)雜，解釋一下怎么看這數(shù)據(jù)的定義與聲明。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件設(shè)置信號動作系統(tǒng)調(diào)用 從數(shù)據(jù)的名字開始，在這里是signal，向右看，是”(“，說明它是一個函數(shù)，括號內(nèi)為參數(shù)列表；再向左看，是一個”*”，說明它的返回值是一個指針；再向右看，看到”(“，說明該指針指向一個函數(shù)，括號內(nèi)為參數(shù)表。再向左看這個函數(shù)的返回值，是void。結(jié)束?；痉椒ň褪怯易笥易?再來一個復(fù)雜點(diǎn)的。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件設(shè)置信號動作系統(tǒng)調(diào)用typedef int (*(*(*fp)(void *)10)

18、(int);定義fp為一個指針類型，指一個函數(shù)，其返參數(shù)表是(void *)，返回一個指向數(shù)組的指針，數(shù)組有10個元素，元素類型是一個指針，指向一個函數(shù)，其參數(shù)列表為(int )，返回值是int。Has a try: 聲明一個數(shù)組，包括10個元素，每個元素是一個指針，指向一個函數(shù)，其參數(shù)列表為(int)，返回值是指針，指向一個有10個元素的數(shù)組，元素類型是指針，指向另一個指針，這個指針指向fp型（上面定義好的那個）。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件設(shè)置信號動作系統(tǒng)調(diào)用n繼續(xù)講signal函數(shù)。第一個參數(shù)sig是要設(shè)定動作的信號名，如SIGALRM，第二個參數(shù)func是接收到這個信號是要執(zhí)行的動作

19、。func可以是SIG_DEL，SIG_IGN，分別表示默認(rèn)動作與忽略，也可以是自定義的參數(shù)表(int)，返回值int的函數(shù)。signal成功返回原來的信號處理函數(shù)，失敗返回SIG_ERR。看下面例子。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件#include #include static int flag = 0;static void sig_alrm(int signo) flag = 1;int main(void) if (signal(SIGALRM, sig_alrm) = SIG_ERR) perror(“signal”); exit(1); alarm(10); pause(); if

20、 (flag) printf(“SIGALRM receivedn”); return 0;Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件設(shè)置信號動作系統(tǒng)調(diào)用n上面的程序雖然很短但卻引出來很多問題。先解釋一下幾個系統(tǒng)調(diào)用。 設(shè)置定時器alarm，函數(shù)原型： #include unsigned int alarm(unsigned int seconds); 在seconds秒后對本進(jìn)程發(fā)送一個SIGALRM信號。一般情況下返回0；如果已經(jīng)有一個定時器被設(shè)置且還沒有到時間，否返回上一個定時器剩余的時間。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件設(shè)置信號動作系統(tǒng)調(diào)用 示例中的另一個調(diào)用pause，以及一個相似的庫函數(shù)slee

21、p #include int pause(void); int sleep(unsigned int seconds); sleep讓進(jìn)程睡眠seconds秒，pause讓進(jìn)程永遠(yuǎn)睡眠。如果在睡眠過程中被信號打斷，它們將返回-1。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件設(shè)置信號動作系統(tǒng)調(diào)用 例子中的兩個語句： alarm(10); pause(); 的意義就是暫停10秒。10秒后pause()被SIGALRM打斷，返回-1，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。信號SIGALRM的handler把flags設(shè)為1并且返回，于是main知道是被SIGALRM信號中斷，打印出”SIGALRM received”。Unix程序設(shè)計基

22、礎(chǔ)PPT課件不可重入函數(shù)n為什么不在SIGALRM的handler（即函數(shù)sig_alrm）里調(diào)用printf? 這就引出了不可重入函數(shù)的概念。不可重入函數(shù)是指這樣的一類函數(shù)，不可以在它還沒有返回就再次被調(diào)用。例如printf，malloc，free等都是不可重入函數(shù)。因?yàn)樾盘柨赡茉谌魏螘r候發(fā)生，例如在printf執(zhí)行過程中，因此不能在信號處理函數(shù)里調(diào)用printf，否則printf將會被重入。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件不可重入函數(shù)n函數(shù)不可重入大多數(shù)是因?yàn)樵诤瘮?shù)中引用了全局變量。例如，printf會引用全局變量stdout，malloc，free會引用全局的內(nèi)存分配表。仔細(xì)體會不難發(fā)現(xiàn)這

23、與前面說到多進(jìn)程下的數(shù)據(jù)不一致性很相似，都是對共享數(shù)據(jù)的相斥訪問問題。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件這個例子是否存在問題？ alarm(10); pause(); 前面說到，進(jìn)程的推進(jìn)速度可能是任意的，如果執(zhí)行完alarm，進(jìn)程的時間片正好用完；過了十幾秒之后才又輪到這個進(jìn)程運(yùn)行，會怎么樣？ 結(jié)果是，pause在接收到信號之后才被調(diào)用。也就是說sig_alrm執(zhí)行完返回pause()才被調(diào)用，結(jié)果是進(jìn)程永久的睡眠（除非它再收到別的信號）。 雖然這種情況幾乎不可能發(fā)生，但我們還是應(yīng)該避免這種潛在的錯誤。Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件下次課的內(nèi)容n信號處理（續(xù)）n進(jìn)程間通信（IPC）n線程的簡單介

24、紹n高級I/On其它我認(rèn)為有趣的 Thanks!Unix程序設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#p

25、XlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-

26、w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H

27、6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8J8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWk

28、ThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&

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