進程的概念及定義

定義：進程是一個具有獨立功能的程序關于某個數據集合的運行過程。它是系統進行資源分配和調度的獨立單位，是一個活動的實體。

注意：進程的定義不唯一，這個是我覺得最準確的定義。還有一點，在沒有引入線程前，資源分配和調度的基本單位都是進程。有了線程后，進程仍然是資源分配的基本單位，而調度的最小單位是線程。

在多道環境下，引入進程的概念，以便更好地描述和控制程序的并發執行，實現操作系統的并發性和共享性(最重要的兩個特性)。為了使參與并發的程序能夠獨立地運行，必須要有一個專門的數據結構——進程控制塊(Process Control Block，PCB)，系統利用PCB來描述進程的基本情況和運行狀態，進而控制和管理進程。相應地，程序段、相關數據段、和PCB三部分構成了進程實體(依然是靜態的，因為沒有獲得處理器資源)。創建進程，實質上是創建進程的PCB；而撤銷進程，實質上是撤銷進程的PCB。所以PCB是進程存在的唯一標志。

操作系統中的資源：抽象的理解成時間和空間。以時間為例，分時操作系統中的"時間片"資源。以空間為例，內存空間和一些寄存器空間。

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進程的特征

動態性：進程是程序在系統中的執行過程，具有一定的生命周期，進程是動態產生，動態消亡的。

并發性：多個進程實體同事存在于內存中，能在一段時間內同時運行。引入進程的目的就是為了是程序能與其他進程并發執行，以提過資源利用率。

獨立性：進程是一個能獨立運行、獲取資源和接受調度的基本單位；

異步性：由于進程間的相互制約，使進程具有執行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進。異步性會導致執行結果的不可再現性，為此在操作系統中必須采用相應的進程同步機制。

結構性：進程由程序段、數據段和PCB三部分組成。

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進程的狀態

由于系統中各進程之間的相互制約關系及系統的運行環境的變化，使得進程的狀態也是在不斷地發生變化。通常進程有以下五種狀態，前三種是基本狀態。

(1)就緒狀態：進程已獲得除處理器外的所有資源，等待分配處理器資源，只要分配了處理器進程就可執行。就緒進程可以按多個優先級來劃分隊列。例如，當一個進程由于時間片用完而進入就緒狀態時，排入低優先級隊列；當進程由I/O操作完成而進入就緒狀態時，排入高優先級隊列。

(2)運行狀態：進程獲得處理器資源；處于此狀態的進程的數目小于等于處理器的數目。在沒有其他進程可以執行時(如所有進程都在阻塞狀態)，通常會自動執行系統的空閑進程。

(3)阻塞狀態：由于進程等待某種條件（如資源不足、I/O操作或進程同步），在條件滿足之前無法繼續執行。即使處理器資源空閑，該進程也無法運行。

(4)創建狀態：進程正在被創建，尚未轉到就緒態。創建進程通常需要多個步驟：首先申請一個空白的PCB，并向PCB中填寫一些控制和管理進程的信息；然后有系統為該進程分配運行是所需的資源；最后把該進程轉入就緒態。

(5)終止狀態：進程正從系統中消失，可能是正常結束或其他原因中斷退出運行。進程需要結束運行時，系統首先置該進程為結束態，然后再進一步處理資源釋放和回收等工作。

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狀態轉換圖如下：

就緒態 -> 運行態：處于就緒態的進程被調度后，獲取處理器資源，于是進程由就緒態轉換為運行態。

運行態 -> 就緒態：處于運行態的進程在時間片用完后，讓出處理器，該進程有運行態轉換為就緒態。此外，在可剝奪的調度策略中，當有高優先級的進程就緒時，調度程序將正在執行的進程轉換為就緒態，讓更高優先級的進程執行。

運行態 -> 阻塞態：進程請求某一資源的使用、分配或等待某一件事發生時，它就從運行態轉換為阻塞態。

阻塞態 -> 就緒態：進程等待的事件到來時，如I/O操作結束或中斷結束時，中斷處理程序必須把相應的狀態有阻塞態轉換為就緒態。

分辨運行態是轉換成就緒態還是阻塞態，只需要看此時該進程所占有的資源的情況。若該進程的資源沒有被剝奪，也沒有申請新的資源而沒有得到，則處于就緒態。反之處于阻塞態。

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fork() 的使用

fork() 是 UNIX 或 類UNIX 中的分叉函數。fork 系統調用用于創建一個新進程，稱為子進程(子進程拷貝了父進程的資源)，它與父進程(調用 fork 的進程)同時運行。創建新的子進程后，兩個進程將執行 fork() 系統調用之后的下一條指令。子進程使用相同的 PC (程序計數器)，相同的 CPU 寄存器，在父進程中使用的相同打開文件。fork() 函數原型如下：

pid_t fork(?void); pid_t 是一個宏定義，其實質是 int，被定義在#include <sys/types.h> 中。

它不需要參數并返回一個整數值。下面是 fork() 返回的不同值：

負值：創建子進程失敗。原因：進程總數超出了限制。

0：返回到新創建的子進程。

正值：返回父進程或調用者。該值是新創建的子進程的進程 ID。

fork() 函數被調用一次，但返回兩次。兩次返回的區別是：子進程的返回值是 0，而父進程的返回值是新建子進程的 ID。將子進程 ID 返回給父進程的理由是：因為一個進程的子進程可以有多個，并且沒有一個函數使一個進程可以獲得其所有子進程的進程 ID。 fork 使子進程返回值為 0 的理由是：一個進程只會有一個父進程，所以子進程總是可以調用 getppid() 以獲得父進程的進程 ID。編程時，我們可以通過 fork() 返回的值來判斷當前進程是子進程還是父進程。

注意：進程 ID 0 總是由內核交換進程使用，所以一個子進程的進程 ID 不可能為 0。

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為什么 fork 會返回兩次？

由于在復制時復制了父進程的堆棧段，所以兩個進程都停留在 fork() 函數中，等待返回。因此 fork() 函數會返回兩次，一次是在父進程中返回，另一次是在子進程中返回，所以這兩次的返回值是不一樣的。

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利用 fork() 函數創建子進程：

#include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h>int main() {pid_t pid;int count = 0;pid = fork();if(pid < 0)printf("error in fork!\n");else if(pid == 0){count++;printf("I am the child process,ID is:[%d] , count is:[%d]\n", getpid(), count);} // getpid返回當前進程標識，getppid返回父進程標識。else{ count++;printf("I am the parent process,ID is:[%d], count is:[%d]\n", getpid(), count);}return 0; }

從上述代碼中可以看出，父子進程的 count 是相互獨立的變量，這是因為子進程拷貝了 count，而不是和父進程共用同一個 count 。接下來聲明不同的變量或常量，用于驗證 fork() 資源拷貝的問題(棧區變量、堆區變量及數據區的常量、變量)。

代碼如下：

#include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h>int a = 1; //初始化的全局變量 int asd[5] = {1,2,3,4,5}; int main() {pid_t pid;pid = fork();int count1 = 1; //棧區變量count1static int count2 = 1; //靜態變量count2char s1[] = "abc"; //棧區char *s2 = "qwe"; //s2在棧區，而內容在常量區char *p1 = (char*)malloc(10); //堆區if(pid < 0)printf("error in fork!\n");else if(pid == 0){a++; count1++; count2++;printf("I am the child process,ID is:[%d]\n", getpid());printf("a is:[%d] address:[%p], count1 is:[%d] address:[%p], count2 is:[%d] address:[%p]\n", a, &a, count1, &count1, count2, &count2);printf("asd's address:[%p], s1's address:[%p], s2's address:[%p], p1's address[%p]\n", asd, s1, s2, p1);s1[0] = 'A';printf("%s\n", s1);int childasd = 0;printf("childasd's address:[%p]\n", &childasd);printf("\n");}else{ a -= 2; count1 -=2 ; count2 -= 2;printf("I am the parent process,ID is:[%d]\n", getpid());printf("a is:[%d] address:[%p], count1 is:[%d] address:[%p], count2 is:[%d] address:[%p]\n", a, &a, count1, &count1, count2, &count2);printf("asd's address:[%p], s1's address:[%p], s2's address:[%p], p1's address[%p]\n", asd, s1, s2, p1);s1[0] = 'B';printf("%s\n", s1);int parentasd = 0;printf("childasd's address:[%p]\n", &parentasd);printf("\n");}free(p1);return 0; }

當看到父子進程的變量的地址都是一樣的時候，你是否感到迷惑？其實不用迷惑，這是因為子進程和父進程執行 fork 調用之后的指令。子進程是父進程的副本。例如，子進程獲得父進程數據空間、堆和棧的副本。注意，這是子進程所擁有的副本。父進程和子進程并不共享這些存儲空間，父子進程共享的是代碼段。

還有一點：這里打印出來的地址是邏輯地址而不是物理地址，子進程拷貝父進程的變量，其地址總是一樣的，因為在 fork 時整個虛擬地址空間被復制，而物理內存沒有復制。上面的基本概念已經提到過?PCB 是進程存在的唯一標志，父子進程擁有各自的進程 ID (若不考慮誰創建了誰，它們就是兩個進程，而進程間的邏輯地址相同是互不影響的)。當它們運行的時候，會將邏輯地址轉換成物理地址。這就是為什么父子進程打印出來的地址是一樣的，但還是互不影響的完成了對數據的操作。

現在很多實現并不是執行一個父進程數據段、棧和堆的完全副本。取而代之的是使用寫時復制(Copy-On-Write，COW)技術。這些區域由父進程和子進程共享，而且內核將它們的訪問權限改變為只讀。如果父進程和子進程中的任一個試圖修改這些區域，則內核只為修改區域的那塊內存制作一個副本，通常是虛擬存儲系統中的一"頁"。

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父子進程之間的區別具體如下：

• (1) fork 的返回值不同。
• (2) 進程 ID 不同。
• (3) 子進程的 tms_utime 、tms_stime 、tms_cutime 和 tms_ustime 的值設置為 0。
• (4) 子進程不繼承父進程設置的文件鎖。
• (5) 子進程的未處理鬧鐘被清除。
• (6) 子進程的未處理信號集設置為空。

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fork() 的用法：

(1)一個父進程希望復制自己，是父進程的子進程同時執行不同的代碼段。這在網絡服務進程中是最常見的——父進程等待客戶端的服務請求。當這種請求到達時，父進程調用fork，使子進程處理此請求，父進程則繼續等待下一個服務請求。

(2)一個進程要執行一個不同的程序。這對shell是最常見的情況。在這種情況下，子進程從fork返回后立即調用exec。

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參考：百度百科、《UNIX環境高級編程》

總結

以上是生活随笔為你收集整理的进程及 fork() 系统调用详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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