多任務的概念人們已經(jīng)非常熟悉了，它是指用戶可以在同一時間內(nèi)運行多個應用程序。Linux就是一種支持多任務的操作系統(tǒng)，它支持多進程、多線程等多任務處理和任務之間的多種通信機制。

Linux下多任務機制的介紹

多任務處理是指用戶在同一時間內(nèi)運行多個應用程序，每個應用程序被稱做一個任務。Linux就是一個支持多任務的操作系統(tǒng)，它比單任務系統(tǒng)的功能增強了許多。當多任務操作系統(tǒng)使用某種任務調(diào)度策略允許兩個或更多進程并發(fā)共享一個處理器時，事實上處理器在某一時刻只會給一個任務提供服務。由于任務調(diào)度機制保證了不同的任務之間的切換速度十分迅速，因此給人多個任務同時運行的錯覺。多任務系統(tǒng)中有3個功能單位：任務、進程和線程，下面分別進程介紹。

1、任務

任務是一個邏輯概念，指由一個軟件完成的活動，或者是一系列共同達到某一個目的的操作。通常一個任務是一個程序的一次運行，一個任務包含一個或多個完成獨立功能的子任務，這個獨立的子任務就是進程或線程。例如，一個殺毒軟件的一次運行是一個任務，目的是從各種病毒的侵害中保護計算機系統(tǒng)，這個任務包含多個獨立功能的子任務（進程或線程），包含實時監(jiān)控功能、定時查殺功能、防火墻功能及用戶交互功能等。個人理解：就好比假設一個應用程序中由一個或多個可執(zhí)行文件共同執(zhí)行組成，那么此應用程序的一次執(zhí)行就是一個任務，而這些可執(zhí)行文件的執(zhí)行就是一個進程的執(zhí)行，而可執(zhí)行文件是由一個線程或多個線程構(gòu)成的，當只有一個線程構(gòu)成了這個進程，則此時進程和線程就是一樣的概念（可執(zhí)行文件的一次運行）。

2、進程

進程的基本概念

進程是一個具有獨立功能的程序在某個數(shù)據(jù)集上的一次動態(tài)執(zhí)行過程，它是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位（個人理解：系統(tǒng)好比是一個大型的任務，由多個進程(可執(zhí)行文件)構(gòu)成，而資源分配和資源調(diào)度分別都是一個進程，所以進程是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位）。一次任務的運行可以并發(fā)激活多個進程，這些進程相互合作來完成該任務的一個最終的目標。

進程具有并發(fā)性、動態(tài)性、交互性、獨立性和異步性等主要特性

• 并發(fā)性：指的是系統(tǒng)中多個進程可以同時并發(fā)執(zhí)行，相互之間不受干擾。
• 動態(tài)性：指的是進程都有完整的生命周期，而且在進程的生命周期內(nèi)，進程的狀態(tài)是不斷變化的。另外，進程具有動態(tài)的地址空間（包括代碼、數(shù)據(jù)和進程控制塊）。
• 交互性：指的是進程在執(zhí)行過程中可能會與其他進程發(fā)生直接和間接的交互操作，如進程同步和進程互斥等，需要為此添加一定的進程處理機制。
• 獨立性：指的是進程是一個相對完整的資源分配和調(diào)度的基本單位，各個進程的地址空間是相互獨立的，只有采用某些特定的通信機制才能實現(xiàn)進程間的通信。
• 異步性：指的是每個進程都按照各自獨立的、不可預知的速度向前執(zhí)行。

進程和程序是有本質(zhì)的區(qū)別：程序是靜態(tài)的一段代碼，是一些保存在非易失性存儲器的指令的有序集合，沒有任何執(zhí)行的概念；而進程是一個動態(tài)的概念，它是程序執(zhí)行的過程，包括動態(tài)創(chuàng)建、調(diào)度和消亡的整個過程，它是程序執(zhí)行和資源管理的最小單位。 Linux系統(tǒng)中包括以下幾種類型的過程：

• 交互式過程：這類進程進程與用戶進程交互，因此要花很多時間等待用戶的交互操作（鍵盤和鼠標操作等）。當接收到用戶的交互操作后，這類進程應該很快被允許，而且相應時間的變化也應該很小，否則用戶就會覺得系統(tǒng)反應遲鈍或者不太穩(wěn)定。典型的交互式進程有shell命令進程、文本編輯器和圖形應用程序運行等。
• 批處理進程：這類進程不必與用戶進行交互，因此進程在后臺運行。因為這類進程通常不必很快地相應，因此往往受到調(diào)度器的“慢待”。典型的批處理進程有編譯器的編譯操作、數(shù)據(jù)庫搜索引擎等。
• 實時進程：這類進程通常對調(diào)度響應時間有很高的要求，一般不會被低優(yōu)先級的進程阻塞。它們不僅要求很短的響應時間，而且更重要的是響應時間的變化應該很小。典型的實時進程有視頻和音頻的應用程序、實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序等。

Linux下的進程結(jié)構(gòu)

進程不但包括程序的指令和數(shù)據(jù)，而且包括程序計數(shù)器和處理器的所有寄存器以及存儲臨時數(shù)據(jù)的進程堆棧，因此正在執(zhí)行的進程包括處理器當前的一切活動。 因為Linux是一個多進程的操作系統(tǒng)，所以其他的進程必須等到系統(tǒng)將處理器使用權(quán)分配各自己之后才能運行。當正在運行的進程等待其他的系統(tǒng)資源時，Linux內(nèi)核將取得處理器的控制權(quán)，并將處理器分配給其他正在等待的進程，它按照內(nèi)核中的調(diào)度算法決定處理器分配給哪個進程。 內(nèi)核將所有進程存放在雙向循環(huán)鏈表（進程鏈表）中，其中鏈表的頭是init_task描述符。鏈表的每一項都是類型為task_struct，稱為進程描述符的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含了與一個進程相關的所有信息，定義在<include/linux/sched.h>文件中。task_struct內(nèi)核結(jié)構(gòu)比較大，它能完整地描述一個進程，如進程的狀態(tài)、進程的基本信息、進程標識符、內(nèi)存相關信息、父進程相關信息、與進程相關的終端信息、當前工作目錄、打開的文件信息、所接收到的信號信息等。 下面詳細講解task_struct結(jié)構(gòu)中最為重要的兩個域：state（進程狀態(tài)）和pid（進程標識符，即進程號）。 1）進程狀態(tài)，Linux中的進程有以下幾種狀態(tài)

• 運行狀態(tài)（TASK_RUNNING）：進程當前正在運行，或者正在運行隊列中等待調(diào)度。

創(chuàng)建一個task.c文件，task.c文件內(nèi)容如下：
保存后，輸入gcc task.c -o task編譯生成二進制代碼task，輸入./task運行task進程
打開另一個終端，輸入ps -aux查看進程狀態(tài)：（ps -axjf?可查看進程有哪些子進程，ps -e?也 可以查到進程的狀態(tài)，但只顯示進程的PID、TTY、TIME和CMD）ps工具標識進程的5中狀態(tài)碼：D 不可中斷 uninterruptible sleep (usually IO)R 運行 runnable (on run queue)S 中斷 sleepingT 停止 traced or stoppedZ 僵尸 a defunct ("zombie") process注：其它狀態(tài)還包括W(無駐留頁)，<(高優(yōu)先級進程)，N(低優(yōu)先級進程)，L(內(nèi)存鎖頁)每列對應關系：USER：進程所有者 ? ? ?PID：進程ID ? ?%CPU：占用CPU的使用率 ??%MEM：占用內(nèi)存的使用率 ??VSZ：占用虛擬內(nèi)存大小?RSS：占用內(nèi)存大小?TTY：終端次要裝置號碼 ??STAT：進程狀態(tài) ?START：進程啟動時間 ? ?TIME：進程消耗cup時間 ??COMMAND：命令的名稱和參數(shù)

• 可中斷的阻塞狀態(tài)（TASK_INTERRUPTIBLE）：進程處于阻塞(睡眠)狀態(tài)，正在等待某些事件發(fā)生或能夠占用某些資源。處在這種狀態(tài)下的進程可以被信號中斷。接收到信號或被顯式的喚醒呼叫（如調(diào)用wake_up系列宏：wake_up、wake_up_interruptible等）喚醒之后，進程轉(zhuǎn)變?yōu)門ASK_RUNNING狀態(tài)。
• 不可中斷的阻塞狀態(tài)（TASK_UNINTERRUPTIBLE）：此進程狀態(tài)類似于可中斷的阻塞狀態(tài)（TASK_INTERRUPTILBE），只是它不會處理信號，把信號傳遞到這種狀態(tài)下的進程不能改變它的狀態(tài)。在一些特定的情況下（進程必須等待，直到某些不可被中斷的事件發(fā)生），這種狀態(tài)是很有用的。只有在它所等待的事件發(fā)生時，進程被顯式的喚醒呼叫喚醒。
• 可終止的阻塞狀態(tài)（TASK_KILLABLE）：Linux內(nèi)核2.6.25引入了一種新的進程狀態(tài)，名為TASK_KILLABLE。該狀態(tài)的運行機制類似于TASK_UNINTERRUPTILBE，只不過在該狀態(tài)下的進程可以響應致命信號。它可以替代有效但可能無法終止的不可中斷的阻塞狀態(tài)，以及易于喚醒安全性欠佳的可中斷的阻塞狀態(tài)。
• 暫停狀態(tài)（TASK_STOPPED）：進程的執(zhí)行被暫停，當進程收到SIGTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU等信號時，就會進入暫停狀態(tài)。
• 跟蹤狀態(tài)（TASK_TRACED）：進程的執(zhí)行被調(diào)試器暫停。當一個進程被另一個進程監(jiān)控是（如調(diào)試器使用ptrace()系統(tǒng)調(diào)用監(jiān)控測試程序），任何信號都可以把這個進程置于跟蹤狀態(tài)。
• 僵尸狀態(tài)（EXIT_ZOMBIE）：進程運行結(jié)束，父進程尚未使用wait函數(shù)族（如使用waitpid()函數(shù)）等系統(tǒng)調(diào)用來“收尸”，即等待父進程銷毀它。處于該狀態(tài)下的進程“實體”已經(jīng)放棄了幾乎所有的內(nèi)存空間，沒有任何可執(zhí)行代碼，也不能調(diào)度，僅僅在進程列表保留一個位置，記載該進程的退出狀態(tài)等信息供其他進程收集。
• 僵尸撤銷狀態(tài)（EXIT_DEAD）：這是最終狀態(tài)，父進程調(diào)用wait函數(shù)族“收尸”后，進程徹底有系統(tǒng)刪除。

它們之間的轉(zhuǎn)換關系如圖所示：
內(nèi)核可以使用set_task_state和set_current_state宏來改變指定進程的狀態(tài)和當前執(zhí)行進程的狀態(tài)。 2）進程標識符 Linux內(nèi)核通過唯一的進程標識符PID來標識每個進程。PID存放進程描述符的pid字段中，新創(chuàng)建的PID通常是前一個進程的PID加1，不過PID的值有上限（最大值 = PID_MAX_DEFAULT - 1，通常為32767），我們可以在終端輸入 vim /proc/sys/kernel/pid_max 來確定該系統(tǒng)的進程數(shù)上限。 當系統(tǒng)啟動后，內(nèi)核通常作為一個進程的代表。一個指向task_struct的宏current用來記錄正在運行的進程。current經(jīng)常作為進程描述符結(jié)構(gòu)指針的形式出現(xiàn)在內(nèi)核代碼中，例如，current->pid表示處理器正在執(zhí)行進程的PID。當系統(tǒng)需要查看所有的進程時，則調(diào)用for_each_process()宏，這將比系統(tǒng)搜索數(shù)組的速度要快得多。 在Linux中獲得當前進程的進程號(PID)和父進程號(PPID)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)分別為getpid()和getppid()。 測試代碼：
測試結(jié)果：
輸入?ps -axjf?命令查看所有進程與父進程
我們在次輸入ps -aux命令查看所有進程，可以得知父進程為bash

進程的創(chuàng)建、執(zhí)行和終止

1）進程的創(chuàng)建和執(zhí)行 許多操作系統(tǒng)提供的都是產(chǎn)生進程的機制，也就是說，首先在新的地址空間里創(chuàng)建進程、讀入可執(zhí)行文件、最后在開始執(zhí)行。Linux中進程的穿件很特別，它把上述步驟分解到兩個單獨的函數(shù)中去執(zhí)行：fork()和exec函數(shù)族。首先fork()函數(shù)通過復制當前進程創(chuàng)建一個子進程，子進程與父進程的區(qū)別在于不同的PID、PPID和某些資源及統(tǒng)計量。exec函數(shù)族負責讀取可執(zhí)行文件并將其載入地址空間開始運行。 要注意的是，Linux中的fork()函數(shù)使用的是寫時復制頁的技術(shù)，也就是內(nèi)核在創(chuàng)建進程時，其資源并沒有被復制過來，資源的復制僅僅只有在需要寫入數(shù)據(jù)時才發(fā)生，在此之前只是以只讀的方式共享數(shù)據(jù)。寫時復制技術(shù)可以使Linux擁有快速執(zhí)行的能力，因此這個優(yōu)化是非常重要的。 2）進程的終止 進程終結(jié)也需要做很多繁瑣的收尾工作，系統(tǒng)必須保證回收進程所占的資源，并通知父進程。Linux首先把終止的進程設置為僵尸狀態(tài)，這時，進程無法投入運行，它的存在只為父進程提供信息，申請死亡。父進程得到信息后，開始調(diào)用wait函數(shù)族，最后終止子進程，子進程占用的所有資源被全部釋放。

進程的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

Linux操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，使得每個進程都有各自互不干涉的進程地址空間。該地址空間是大小為4GB的線性虛擬空間(當然是指32位系統(tǒng))，用戶所看到和接觸到的都是該虛擬地址，無法看到實際的物理內(nèi)存地址。利用這種虛擬地址不但能起到保護操作系統(tǒng)的效果（用戶不能直接訪問物理內(nèi)存），而且更重要的是，用戶程序可以使用比實際物理內(nèi)存更大的地址空間。 我們可以通過命令getconf LONG_BIT 來查詢當前自己的系統(tǒng)是多少位的？
我的安裝的UbuntKylin是64位的，即實際內(nèi)存最大可能達到2^64 = 128GB。（2^10 = 1kb，2^30 = 1GB）。 4GB的進程地址空間會被分出兩部分：用戶空間與內(nèi)核空間。用戶地址空間是從0~3GB（0xC0000000），內(nèi)存地址空間占據(jù)3GB~4GB。用戶進程通常情況下只能訪問用戶控件的虛擬地址，不能訪問內(nèi)核空間的虛擬地址。只有用戶進程使用系統(tǒng)調(diào)用（代表用戶進程在內(nèi)核執(zhí)行）時可以訪問內(nèi)核空間的虛擬空間。每當進程切換時，用戶空間就會跟著變化；而內(nèi)核空間有內(nèi)核負責映射，它并不會跟著進程改變而改變，是固定的。內(nèi)核空間地址有自己對應的頁表，用戶進程各自用不同的頁表。每個進程用戶空間都是完全獨立、互不相干的。進程的虛擬內(nèi)存地址空間如圖所示：
其中用戶空間包括以下幾個功能區(qū)域：

• 只讀段：包含程序代碼（.init和.exit）和只讀數(shù)據(jù)(.rodata)
• 數(shù)據(jù)段：存放的是全局變量和靜態(tài)變量。其中可讀可寫數(shù)據(jù)段（.data）存放已經(jīng)初始化的全局變量和靜態(tài)變量，BSS數(shù)據(jù)段(.bss)存放未初始化的全局變量和靜態(tài)變量
• 堆：由系統(tǒng)自動分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值、局部變量的值、返回地址等
• 堆棧：存放動態(tài)分配的數(shù)據(jù)，一般由程序員動態(tài)分配和釋放。若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由操作系統(tǒng)回收。
• 共享庫的內(nèi)存映射區(qū)域：這是Linux動態(tài)連接器和其他共享庫代碼的映射區(qū)域。

由于在Linux系統(tǒng)中每一個進程都會有/proc文件系統(tǒng)下與之對應的一個目錄(如將init進程的相關信息在/proc/1 目錄下的文件中描述，1表示init進程的進程號)，因此通過proc文件系統(tǒng)可以查看某個進程的地址空間的映射情況。 測試代碼：
運行此程序：
輸入?size task
text：存放的是代碼 ? ? data：存放的是初始化過的全局變量或靜態(tài)變量 ? bss：存放的是未初始化的全局變量或靜態(tài)變量 輸入命令?cat /proc/3834/maps?? 其中3834是task的PID

3、線程

前面已經(jīng)提到，進程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個進程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進程進程切換等操作時需要較復雜的上下文切換等動作。為了進一步減少處理機制的空轉(zhuǎn)時間，支持多處理器及減少上下文切換開銷，進程在演化中出現(xiàn)了另一個概念——線程。它是進程內(nèi)獨立的一條運行路線，是處理器調(diào)用的最小單元，也可以成為輕量級進程。線程可以對進程的內(nèi)存空間和資源進程訪問，并與同一個進程中的其他線程共享。因此，線程上下文切換的開銷比創(chuàng)建進程小得多。 一個進程可以擁有多個線程，每個線程必須有一個父進程。線程不擁有系統(tǒng)資源，它只具有運行所必需的一些數(shù)據(jù)，如堆棧、寄存器與線程控制塊（TCB），線程與其父進程的其他線程共享該進程所擁有的全部資源。要注意的是，由線程共享了進程的資源和地址空間，因此，任何線程對系統(tǒng)資源的操作都會給其他線程帶來影響。由此可知，多線程中的同步是非常重要的問題。在多線程系統(tǒng)中，進程與線程的關系如圖所示：
在Linux系統(tǒng)中，線程可以分為以下3種： 用戶級線程 用戶級線程主要解決的是上下文切換的問題，它的調(diào)度算法和調(diào)度過程全部由用戶自己選擇決定，在運行時不需要特定的內(nèi)核支持。在這里，操作系統(tǒng)往往會提供一個用戶空間的線程庫，該線程庫提供了線程的創(chuàng)建、調(diào)度和撤銷等功能，而內(nèi)核仍然僅對進程進行管理。如果一個進程中的某一個線程調(diào)用了一個阻塞的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，那么該進程好吧該進程中的其他所有線程也同時被阻塞。這種用戶級線程的主要缺點是在一個進程的多個線程的調(diào)度中無法發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢。 輕量級進程 輕量級進程是內(nèi)核支持的用戶線程，是內(nèi)核線程的一種抽象對象。每個線程擁有一個或多個輕量級進程，而每個輕量級進程分別被綁定在一個內(nèi)核線程上。 內(nèi)核線程 內(nèi)核線程允許不同進程中的線程按照同一相對優(yōu)先調(diào)度方法進行調(diào)度，這樣就可以發(fā)揮多處理器的并發(fā)優(yōu)勢。現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都采用用戶級線程與核心級線程并存的方法。一個用戶級線程可以對應一個或幾個核心級線程，也就是“一對一”或“多對一”模型。這樣既可以滿足多處理系統(tǒng)的需要，也可以最大限度地減少調(diào)度開銷。 使用線程機制大大加快了上下文切換速度，而節(jié)省了很多資源。但是因為在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)均要實現(xiàn)調(diào)度管理，所有會增加實現(xiàn)的復雜度和引起優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的可能性。同時，一個多線程程序的同步設計與調(diào)試也會增加程序?qū)崿F(xiàn)的難道。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C语言多任务，多进程，多线程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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