【Linux教程】Linux系统零基础编程入门，想当大神？这些你都要学

2023-08-27 09:46:16

✍ 文件和文件系统

文件是Linux系统中最重要的抽象，大多数情况下你可以把linux系统中的任何东西都理解为文件，很多的交互操作其实都是通过文件的读写来实现的。

文件描述符

在Linux内核中，文件是用一个整数来表示的，称为文件描述符，通俗的来说，你可以理解它是文件的id（唯一标识符）

普通文件

普通文件就是字节流组织的数据。

文件并不是通过和文件名关联来实现的，而是通过关联索引节点来实现的，文件节点拥有文件系统为普通文件分配的唯一整数值(ino)，并且存放着一些文件的相关元数据。

目录与链接

正常情况下文件是通过文件名来打开的。

目录是可读名称到索引编号之间的映射，名称和索引节点之间的配对称为链接。

可以把目录看做普通文件，只是它包含着文件名称到索引节点的映射（链接）

✍ 进程

进程是仅次于文件的抽象概念，简单的理解，进程就是正在执行的目标代码，活动的，正在运行的程序。不过在复杂情况下，进程还会包含着各种各样的数据，资源，状态甚至虚拟计算机。

你可以这么理解进程：它是竞争计算机资源的基本单位。

进程、程序与线程

程序

程序，简单的来说就是存在磁盘上的二进制文件，是可以内核所执行的代码

进程

当一个用户启动一个程序，将会在内存中开启一块空间，这就创造了一个进程，一个进程包含一个独一无二的PID，和执行者的权限属性参数，以及程序所需代码与相关的资料。

进程是系统分配资源的基本单位。

一个进程可以衍生出其他的子进程，子进程的相关权限将会沿用父进程的相关权限。

线程

每个进程包含一个或多个线程，线程是进程内的活动单元，是负责执行代码和管理进程运行状态的抽象。

线程是独立运行和调度的基本单位。

进程的层次结构（父进程与子进程）

在进程执行的过程中可能会衍生出其他的进程，称之为子进程，子进程拥有一个指明其父进程PID的PPID。子进程可以继承父进程的环境变量和权限参数。

于是，linux系统中就诞生了进程的层次结构——进程树。

进程树的根是第一个进程（init进程）。

过程调用的流程： fork & exec

一个进程生成子进程的过程是，系统首先复制(fork)一份父进程，生成一个暂存进程，这个暂存进程和父进程的区别是pid不一样，而且拥有一个ppid，这时候系统再去执行(exec)这个暂存进程，让他加载实际要运行的程序，最终成为一个子进程的存在。

进程的结束

当一个进程终止时，并不会立即从系统中删除，内核将在内存中保存该进程的部分内容，允许父进程查询其状态（这个被称为等待终止进程）。

当父进程确定子进程已经终止，该子进程将会被彻底删除。

但是如果一个子进程已经终止，但父进程却不知道它的状态，这个进程将会成为僵尸进程

服务与进程

简单的说服务(daemon)就是常驻内存的进程，通常服务会在开机时通过init.d中的一段脚本被启动。

进程通信

进程通信的几种基本方式：管道，信号量，消息队列，共享内存，快速用户控件互斥。

✍ 程序，进程和线程

现在我们再次详细的讨论这三个概念

程序(program)

程序是指编译过的、可执行的二进制代码，保存在储存介质上，不运行。

进程(process)

进程是指正在运行的程序。

进程包括了很多资源，拥有自己独立的内存空间。

线程

线程是进程内的活动单元。

包括自己的虚拟储存器，如栈、进程状态如寄存器，以及指令指针。

在单线程的进程中，线程即进程。而在多线程的进程中，多个线程将会共享同一个内存地址空间

✍ 运行一个进程

创建一个进程，在unix系统中被分为了两个流程。

● 把程序载入内存并执行程序映像的操作:exec

● 创建一个新进程:fork

exec

最简单的exec系统调用函数：execl()

● 函数原型：

int execl(const char * path,const chr * arg,...)

execl()调用将会把path所指的路径的映像载入内存，替换当前进程的映像。

参数arg是以第一个参数，参数内容是可变的，但最后必须以NULL结尾。

● 举例：

int ret;

ret = execl("/bin/vi","vi",NULL);

if (ret == -1) {

    perror("execl");

}

上面的代码将会通过/bin/vi替换当前运行的程序

注意这里的第一个参数vi，是unix系统的默认惯例，当创建、执行进程时，shell会把路径中的最后部分放入新进程的第一个参数，这样可以使得进程解析出二进制映像文件的名字。

int ret;

ret = execl("/bin/vi","vi","/home/mark/a.txt",NULL);

if (ret == -1) {

    perror("execl");

}

上面的代码是一个非常有代表性的操作，这相当于你在终端执行以下命令：

vi /home/mark/a.txt

● 返回值：

正常情况下其实execl()不会返回，调用成功后会跳转到新的程序入口点。

成功的execl()调用，将改变地址空间和进程映像，还改变了很多进程的其他属性。

不过进程的PID,PPID,优先级等参数将会被保留下来，甚至会保留下所打开的文件描述符（这就意味着它可以访问所有这些原本进程打开的文件）。

失败后将会返回-1，并更新errno。

● 其他exec系函数

略，使用时查找

fork

通过fork()系统调用，可以创建一个和当前进程映像一模一样的子进程。

● 函数原型

pid_t fork(void)

调用成功后，会创建一个新的进程（子进程），这两个进程都会继续运行。

● 返回值

如果调用成功，

父进程中，fork()会返回子进程的pid，在子进程中返回0；

如果失败，返回-1，并更新errno，不会创建子进程。

● 举例

我们看下面这段代码

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int main ()

{

    pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值

    int count=0;

    printf("this is a process\n");

    fpid=fork();

    if (fpid < 0)

        printf("error in fork!");

    else if (fpid == 0) {

        printf("i am the child process, my process id is %d\n",getpid());

        printf("我是爹的儿子\n");

        count++;

    }

    else {

        printf("i am the parent process, my process id is %d\n",getpid());

        printf("我是孩子他爹\n");

        count++;

    }

    printf("统计结果是: %d\n",count);

    return 0;

}

这段代码的运行结果比较神奇，是这样的:

this is a process

i am the parent process, my process id is 21448

我是孩子他爹

统计结果是: 1

i am the child process, my process id is 21449

我是爹的儿子

统计结果是: 1

在执行了fork()之后，这个程序就拥有了两个进程，父进程和子进程分别往下继续执行代码，进入了不同的if分支。

如何理解pid在父子进程中不同？

其实就相当于链表，进程形成了链表，父进程的pid指向了子进程的pid，因为子进程没有子进程，所以pid为0。

● 写时复制

传统的fork机制是，调用fork时，内核会复制所有的内部数据结构，复制进程的页表项，然后把父进程的地址空间按页复制给子进程（非常耗时）。

现代的fork机制采用了一种惰性算法的优化策略。

为了避免复制时系统开销，就尽可能的减少“复制”操作，当多个进程需要读取他们自己那部分资源的副本时，并不复制多个副本出来，而是为每个进程设定一个文件指针，让它们读取同一个实际文件。

显然这样的方式会在写入时产生冲突（类似并发），于是当某个进程想要修改自己的那个副本时，再去复制该资源，（只有写入时才复制，所以叫写时复制）这样就减少了复制的频率。

联合实例

在程序中创建一个子进程，打开另一个应用。

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid == -1)

    perror("fork");

//子进程

if (!pid) {

    const char * args[] = {"windlass",NULL};

    int ret;

    // 参数以数组方式传入

    ret = execv("/bin/windlass",args);

    if (ret == -1) {

        perror("execv");

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

}

上面的程序创建了一个子进程，并且使子进程运行了/bin/windlas程序。

✍ 终止进程

exit()