Linux中进程和线程的示例分析

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计算机实际上可以做的事情实质上非常简单，比如计算两个数的和，再比如在内存中寻找到某个地址等等。这些最基础的计算机动作被称为指令 (instruction)。所谓的程序(program)，就是这样一系列指令的所构成的集合。通过程序，我们可以让计算机完成复杂的操作。程序大多数时候被存储为可执行的文件。这样一个可执行文件就像是一个菜谱，计算机可以按照菜谱作出可口的饭菜。

那么，程序和进程(process)的区别又是什么呢?

进程是程序的一个具体实现。只有食谱没什么用，我们总要按照食谱的指点真正一步步实行，才能做出菜肴。进程是执行程序的过程，类似于按照食谱，真正去做菜的过程。同一个程序可以执行多次，每次都可以在内存中开辟独立的空间来装载，从而产生多个进程。不同的进程还可以拥有各自独立的IO接口。

操作系统的一个重要功能就是为进程提供方便，比如说为进程分配内存空间，管理进程的相关信息等等，就好像是为我们准备好了一个精美的厨房。

看一眼进程

首先，我们可以使用$ps命令来查询正在运行的进程，比如$ps -eo pid,comm,cmd，下图为执行结果:

(-e表示列出全部进程，-o pid,comm,cmd表示我们需要PID，COMMAND，CMD信息)

每一行代表了一个进程。每一行又分为三列。第一列PID(process IDentity)是一个整数，每一个进程都有一个唯一的PID来代表自己的身份，进程也可以根据PID来识别其他的进程。第二列COMMAND是这个进程的简称。第三列CMD是进程所对应的程序以及运行时所带的参数。

(第三列有一些由中括号[]括起来的。它们是kernel的一部分功能，被打扮成进程的样子以方便操作系统管理。我们不必考虑它们。)

我们看第一行，PID为1，名字为init。这个进程是执行/bin/init这一文件(程序)生成的。当Linux启动的时候，init是系统创建的第一个进程，这一进程会一直存在，直到我们关闭计算机。这一进程有特殊的重要性，我们会不断提到它。

如何创建一个进程

实际上，当计算机开机的时候，内核(kernel)只建立了一个init进程。Linux kernel并不提供直接建立新进程的系统调用。剩下的所有进程都是init进程通过fork机制建立的。新的进程要通过老的进程复制自身得到，这就是fork。fork是一个系统调用。进程存活于内存中。每个进程都在内存中分配有属于自己的一片空间 (address space)。当进程fork的时候，Linux在内存中开辟出一片新的内存空间给新的进程，并将老的进程空间中的内容复制到新的空间中，此后两个进程同时运行。

老进程成为新进程的父进程(parent process)，而相应的，新进程就是老的进程的子进程(child process)。一个进程除了有一个PID之外，还会有一个PPID(parent PID)来存储的父进程PID。如果我们循着PPID不断向上追溯的话，总会发现其源头是init进程。所以说，所有的进程也构成一个以init为根的树状结构。

如下，我们查询当前shell下的进程：

代码如下:

root@vamei:~# ps -o pid,ppid,cmd
 PID  PPID CMD
16935  3101 sudo -i
16939 16935 -bash
23774 16939 ps -o pid,ppid,cmd

我们可以看到，第二个进程bash是第一个进程sudo的子进程，而第三个进程ps是第二个进程的子进程。

还可以用$pstree命令来显示整个进程树：

代码如下:

init─┬─NetworkManager─┬─dhclient
    │                └─2*[{NetworkManager}]
    ├─accounts-daemon───{accounts-daemon}
    ├─acpid
    ├─apache2─┬─apache2
    │         └─2*[apache2───26*[{apache2}]]
    ├─at-spi-bus-laun───2*[{at-spi-bus-laun}]
    ├─atd
    ├─avahi-daemon───avahi-daemon
    ├─bluetoothd
    ├─colord───2*[{colord}]
    ├─console-kit-dae───64*[{console-kit-dae}]
    ├─cron
    ├─cupsd───2*[dbus]
    ├─2*[dbus-daemon]
    ├─dbus-launch
    ├─dconf-service───2*[{dconf-service}]
    ├─dropbox───15*[{dropbox}]
    ├─firefox───27*[{firefox}]
    ├─gconfd-2
    ├─geoclue-master
    ├─6*[getty]
    ├─gnome-keyring-d───7*[{gnome-keyring-d}]
    ├─gnome-terminal─┬─bash
    │                ├─bash───pstree
    │                ├─gnome-pty-helpe
    │                ├─sh───R───{R}
    │                └─3*[{gnome-terminal}]

fork通常作为一个函数被调用。这个函数会有两次返回，将子进程的PID返回给父进程，0返回给子进程。实际上，子进程总可以查询自己的PPID来知道自己的父进程是谁，这样，一对父进程和子进程就可以随时查询对方。

通常在调用fork函数之后，程序会设计一个if选择结构。当PID等于0时，说明该进程为子进程，那么让它执行某些指令,比如说使用exec库函数(library function)读取另一个程序文件，并在当前的进程空间执行 (这实际上是我们使用fork的一大目的: 为某一程序创建进程)；而当PID为一个正整数时，说明为父进程，则执行另外一些指令。由此，就可以在子进程建立之后，让它执行与父进程不同的功能。

子进程的终结(termination)

当子进程终结时，它会通知父进程，并清空自己所占据的内存，并在kernel里留下自己的退出信息(exit code，如果顺利运行，为0；如果有错误或异常状况，为>0的整数)。在这个信息里，会解释该进程为什么退出。父进程在得知子进程终结时，有责任对该子进程使用wait系统调用。这个wait函数能从kernel中取出子进程的退出信息，并清空该信息在kernel中所占据的空间。但是，如果父进程早于子进程终结，子进程就会成为一个孤儿(orphand)进程。孤儿进程会被过继给init进程，init进程也就成了该进程的父进程。init进程负责该子进程终结时调用wait函数。

当然，一个糟糕的程序也完全可能造成子进程的退出信息滞留在kernel中的状况（父进程不对子进程调用wait函数），这样的情况下，子进程成为僵尸（zombie）进程。当大量僵尸进程积累时，内存空间会被挤占。

进程与线程(thread)

尽管在UNIX中，进程与线程是有联系但不同的两个东西，但在Linux中，线程只是一种特殊的进程。多个线程之间可以共享内存空间和IO接口。所以，进程是Linux程序的唯一的实现方式。

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