1 Linux下進程的結構
Linux下一個進程在內存裏有三部分的數據，就是"代碼段"、"堆棧段"和"數據段"。一般的CPU都有上述三種段寄存器，以方便操作系統的運行。這三個部分也是構成一個完整的執行序列的必要的部分。
"代碼段"，顧名思義，就是存放了程序代碼的數據，假如機器中有數個進程運行相同的一個程序，那麼它們就可以使用相同的代碼段。"堆棧段"存放的就是子程序的返回地址、子程序的參數以及程序的局部變量。而數據段則存放程序的全局變量，常數以及動態數據分配的數據空間（比如用malloc之類的函數取得的空間）。系統如果同時運行數個相同的程序，它們之間就不能使用同一個堆棧段和數據段。
2 Linux進程控制
在傳統的Unix環境下，有兩個基本的操作用於創建和修改進程：函數fork( )用來創建一個新的進程，該進程幾乎是當前進程的一個完全拷貝；函數族exec( )用來啓動另外的進程以取代當前運行的進程。
2.1 使用fork()
使用fork()的簡單例子：
void main(){
int i;
if ( fork() == 0 ) {
/* 子進程程序 */
for ( i = 1; i <1000; i ++ ) printf("This is child process"n");
}
else {
/* 父進程程序*/
for ( i = 1; i <1000; i ++ ) printf("This is process process"n");
}
}
程序運行後，能看到屏幕上交替出現子進程與父進程各打印出的信息了。如果程序還在運行中，用ps命令就能看到系統中有兩個它在運行了。
fork函數啓動一個新的進程，是當前進程的一個拷貝：子進程和父進程使用相同的代碼段；子進程複製父進程的堆棧段和數據段。這樣，父進程的所有數據都可以留給子進程，但是，子進程一旦開始運行，雖然它繼承了父進程的一切數據，但實際上數據卻已經分開，相互之間不再有影響了，也就是說，它們之間不再共享任何數據了。它們再要交互信息時，只有通過進程間通信來實現。
對於父進程，fork函數返回子程序的進程號，而對於子程序，fork函數則返回零。在操作系統中，我們用ps函數就可以看到不同的進程號，對父進程而言，它的進程號是由比它更低層的系統調用賦予的，而對於子進程而言，它的進程號即是fork函數對父進程的返回值。在程序設計中，父進程和子進程都要調用函數fork（）下面的代碼，而我們就是利用fork（）函數對父子進程的不同返回值用if...else...語句來實現讓父子進程完成不同的功能，正如我們上面舉的例子一樣。我們看到，上面例子執行時兩條信息是交互無規則的打印出來的，這是父子進程獨立執行的結果，雖然我們的代碼似乎和串行的代碼沒有什麼區別。
一般CPU都是以"頁"爲單位來分配內存空間的，每一個頁都是實際物理內存的一個映像，象INTEL的CPU，其一頁在通常情況下是4086字節大小，而無論是數據段還是堆棧段都是由許多"頁"構成的，fork函數複製這兩個段，只是"邏輯"上的，並非"物理"上的，也就是說，實際執行fork時，物理空間上兩個進程的數據段和堆棧段都還是共享着的，當有一個進程寫了某個數據時，這時兩個進程之間的數據纔有了區別，系統就將有區別的"頁"從物理上也分開。系統在空間上的開銷就可以達到最小。
2.2 exec( )函數族
在Linux中一個進程啓動另一個程序的執行使用exec函數族。一個進程一旦調用exec類函數，它本身就"死亡"了，系統把代碼段替換成新的程序的代碼，廢棄原有的數據段和堆棧段，併爲新程序分配新的數據段與堆棧段，唯一留下的，就是進程號，也就是說，對系統而言，還是同一個進程，不過已經是另一個程序了。（不過exec類函數中有的還允許繼承環境變量之類的信息。）那麼如果我的程序想啓動另一程序的執行但自己仍想繼續運行的話，可以結合fork與exec的使用。下面一段代碼顯示如何啓動運行其它程序：
char command[256];
void main()
{
int rtn; /*子進程的返回數值*/
while(1) {
/* 從終端讀取要執行的命令 */
printf( ">" );
fgets( command, 256, stdin );
command[strlen(command)-1] = 0;
if ( fork() == 0 ) {
/* 子進程執行此命令 */
execlp( command, command );
/* 如果exec函數返回，表明沒有正常執行命令，打印錯誤信息*/
perror( command );
exit( errorno );
}
else {
/* 父進程， 等待子進程結束，並打印子進程的返回值 */
wait ( &rtn );
printf( " child process return %d"n",. rtn );
}
}
}
此程序從終端讀入命令並執行之，執行完成後，父進程繼續等待從終端讀入命令。
3 Linux進程間通信
首先，進程間通信至少可以通過傳送打開文件來實現，不同的進程通過一個或多個文件來傳遞信息，事實上，在很多應用系統裏，都使用了這種方法。但一般說來，進程間通信（IPC：InterProcess Communication）不包括這種似乎比較低級的通信方法。Linux作爲一種新興的操作系統，幾乎支持所有的Unix下常用的進程間通信方法：管道、消息隊列、共享內存、信號量、套接口等等。
3.1 管道
管道是進程間通信中最古老的方式，它包括無名管道和有名管道兩種，前者用於父進程和子進程間的通信，後者用於運行於同一臺機器上的任意兩個進程間的通信。
無名管道由pipe（）函數創建，下面的例子示範瞭如何在父進程和子進程間實現通信：
#define INPUT 0
#define OUTPUT 1
void main() {
int file_descriptors[2];
pid_t pid;
char buf[256];
int returned_count;
pipe(file_descriptors); /*創建無名管道*/
if((pid = fork()) == -1) { /*創建子進程*/
printf("Error in fork"n");
exit(1);
}
if(pid == 0) {
printf("in the spawned (child) process..."n");
/*子進程向父進程寫數據，關閉管道的讀端*/
close(file_descriptors[INPUT]);
write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));
exit(0);
} else {
printf("in the spawning (parent) process..."n");
/*父進程從管道讀取子進程寫的數據，關閉管道的寫端*/
close(file_descriptors[OUTPUT]);
returned_count = read(file_descriptors[INPUT], buf, sizeof(buf));
printf("%d bytes of data received from spawned process: %s"n",
returned_count, buf);
}
}
在Linux系統下，有名管道可由兩種方式創建：命令行方式mknod系統調用和函數mkfifo。下面的兩種途徑都在當前目錄下生成了一個名爲myfifo的有名管道：
方式一：mkfifo("myfifo","rw");
方式二：mknod myfifo p
生成了有名管道後，就可以使用一般的文件I/O函數如open、close、read、write等來對它進行操作。下面即是一個簡單的例子，假設我們已經創建了一個名爲myfifo的有名管道。
/* 進程一：讀有名管道*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main() {
FILE * in_file;
int count = 1;
char buf[80];
in_file = fopen("mypipe", "r");
if (in_file == NULL) {
printf("Error in fdopen."n");
exit(1);
}
while ((count = fread(buf, 1, 80, in_file)) > 0)
printf("received from pipe: %s"n", buf);
fclose(in_file);
}
/* 進程二：寫有名管道*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main() {
FILE * out_file;
int count = 1;
char buf[80];
out_file = fopen("mypipe", "w");
if (out_file == NULL) {
printf("Error opening pipe.");
exit(1);
}
sprintf(buf,"this is test data for the named pipe example"n");
fwrite(buf, 1, 80, out_file);
fclose(out_file);
}
3.2 消息隊列
消息隊列用於運行於同一臺機器上的進程間通信，它和管道很相似，事實上，它是一種正逐漸被淘汰的通信方式，我們可以用流管道或者套接口的方式來取代它，所以，我們對此方式也不再解釋，也建議讀者忽略這種方式。
3.3 共享內存
共享內存是運行在同一臺機器上的進程間通信最快的方式，因爲數據不需要在不同的進程間複製。通常由一個進程創建一塊共享內存區，其餘進程對這塊內存區進行讀寫。得到共享內存有兩種方式：映射/dev/mem設備和內存映像文件。
前一種方式不給系統帶來額外的開銷，但在現實中並不常用，因爲它控制存取的將是實際的物理內存，在Linux系統下，這隻有通過限制Linux系統存取的內存纔可以做到，這當然不太實際。常用的方式是通過shmXXX函數族來實現利用共享內存進行存儲的。
首先要用的函數是shmget，它獲得一個共享存儲標識符。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, int size, int flag);
這個函數有點類似大家熟悉的malloc函數，系統按照請求分配size大小的內存用作共享內存。Linux系統內核中每個IPC結構都有的一個非負整數的標識符，這樣對一個消息隊列發送消息時只要引用標識符就可以了。這個標識符是內核由IPC結構的關鍵字得到的，這個關鍵字，就是上面第一個函數的key。數據類型key_t是在頭文件sys/types.h中定義的，它是一個長整形的數據。在我們後面的章節中，還會碰到這個關鍵字。
共享內存創建後，其餘進程可以調用shmat（）將其連接到自身的地址空間中。
void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);
shmid爲shmget函數返回的共享存儲標識符，addr和flag參數決定了以什麼方式來確定連接的地址，函數的返回值即是該進程數據段所連接的實際地址，進程可以對此進程進行讀寫操作。
使用共享存儲來實現進程間通信的注意點是對數據存取的同步，必須確保當一個進程去讀取數據時，它所想要的數據已經寫好了。通常，信號量被要來實現對共享存儲數據存取的同步，另外，可以通過使用shmctl函數設置共享存儲內存的某些標誌位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等來實現。
3.4 信號量
信號量又稱爲信號燈，它是用來協調不同進程間的數據對象的，而最主要的應用是前一節的共享內存方式的進程間通信。本質上，信號量是一個計數器，它用來記錄對某個資源（如共享內存）的存取狀況。一般說來，爲了獲得共享資源，進程需要執行下列操作：
（1） 測試控制該資源的信號量。
（2） 若此信號量的值爲正，則允許進行使用該資源。進程將進號量減1。
（3） 若此信號量爲0，則該資源目前不可用，進程進入睡眠狀態，直至信號量值大於0，進程被喚醒，轉入步驟（1）。
（4） 當進程不再使用一個信號量控制的資源時，信號量值加1。如果此時有進程正在睡眠等待此信號量，則喚醒此進程。
維護信號量狀態的是Linux內核操作系統而不是用戶進程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include /linux/sem.h中看到內核用來維護信號量狀態的各個結構的定義。信號量是一個數據集合，用戶可以單獨使用這一集合的每個元素。要調用的第一個函數是semget，用以獲得一個信號量ID。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int flag);
key是前面講過的IPC結構的關鍵字，它將來決定是創建新的信號量集合，還是引用一個現有的信號量集合。nsems是該集合中的信號量數。如果是創建新集合（一般在服務器中），則必須指定nsems；如果是引用一個現有的信號量集合（一般在客戶機中）則將nsems指定爲0。
semctl函數用來對信號量進行操作。
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
不同的操作是通過cmd參數來實現的，在頭文件sem.h中定義了7種不同的操作，實際編程時可以參照使用。
semop函數自動執行信號量集合上的操作數組。
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);
semoparray是一個指針，它指向一個信號量操作數組。nops規定該數組中操作的數量。
下面，我們看一個具體的例子，它創建一個特定的IPC結構的關鍵字和一個信號量，建立此信號量的索引，修改索引指向的信號量的值，最後我們清除信號量。在下面的代碼中，函數ftok生成我們上文所說的唯一的IPC關鍵字。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
void main() {
key_t unique_key; /* 定義一個IPC關鍵字*/
int id;
struct sembuf lock_it;
union semun options;
int i;
unique_key = ftok(".", 'a'); /* 生成關鍵字，字符'a'是一個隨機種子*/
/* 創建一個新的信號量集合*/
id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
printf("semaphore id=%d"n", id);
options.val = 1; /*設置變量值*/
semctl(id, 0, SETVAL, options); /*設置索引0的信號量*/
/*打印出信號量的值*/
i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
printf("value of semaphore at index 0 is %d"n", i);
/*下面重新設置信號量*/
lock_it.sem_num = 0; /*設置哪個信號量*/
lock_it.sem_op = -1; /*定義操作*/
lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/
if (semop(id, &lock_it, 1) == -1) {
printf("can not lock semaphore."n");
exit(1);
}
i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
printf("value of semaphore at index 0 is %d"n", i);
/*清除信號量*/
semctl(id, 0, IPC_RMID, 0);
}
3.5 套接口
套接口（socket）編程是實現Linux系統和其他大多數操作系統中進程間通信的主要方式之一。我們熟知的WWW服務、FTP服務等都是基於套接口編程來實現的。除了在異地的計算機進程間以外，套接口同樣適用於本地同一臺計算機內部的進程間通信。
具體略。
4 Linux的進程和Win32的進程/線程比較
熟悉WIN32編程的人一定知道，WIN32的進程管理方式與Linux上有着很大區別，在UNIX裏，只有進程的概念，但在WIN32裏卻還有一個"線程"的概念，那麼Linux和WIN32在這裏究竟有着什麼區別呢？
WIN32裏的進程/線程是繼承自OS/2的。在WIN32裏，"進程"是指一個程序，而"線程"是一個"進程"裏的一個執行"線索"。從核心上講，WIN32的多進程與Linux並無多大的區別，在WIN32裏的線程才相當於Linux的進程，是一個實際正在執行的代碼。但是，WIN32裏同一個進程裏各個線程之間是共享數據段的。這纔是與Linux的進程最大的不同。
下面這段程序顯示了WIN32下一個進程如何啓動一個線程。
int g;
DWORD WINAPI ChildProcess( LPVOID lpParameter ){
int i;
for ( i = 1; i <1000; i ++) {
g ++;
printf( "This is Child Thread: %d"n", g );
}
ExitThread( 0 );
};
void main()
{
int threadID;
int i;
g = 0;
CreateThread( NULL, 0, ChildProcess, NULL, 0, &threadID );
for ( i = 1; i <1000; i ++) {
g ++;
printf( "This is Parent Thread: %d"n", g );
}
}
在WIN32下，使用CreateThread函數創建線程，與Linux下創建進程不同，WIN32線程不是從創建處開始運行的，而是由CreateThread指定一個函數，線程就從那個函數處開始運行。此程序同前面的UNIX程序一樣，由兩個線程各打印1000條信息。threadID是子線程的線程號，另外，全局變量g是子線程與父線程共享的，這就是與Linux最大的不同之處。大家可以看出，WIN32的進程/線程要比Linux複雜，在Linux要實現類似WIN32的線程並不難，只要fork以後，讓子進程調用ThreadProc函數，並且爲全局變量開設共享數據區就行了，但在WIN32下就無法實現類似fork的功能了。所以現在WIN32下的C語言編譯器所提供的庫函數雖然已經能兼容大多數Linux/UNIX的庫函數，但卻仍無法實現fork。
對於多任務系統，共享數據區是必要的，但也是一個容易引起混亂的問題，在WIN32下，一個程序員很容易忘記線程之間的數據是共享的這一情況，一個線程修改過一個變量後，另一個線程卻又修改了它，結果引起程序出問題。但在Linux下，由於變量本來並不共享，而由程序員來顯式地指定要共享的數據，使程序變得更清晰與安全。至於WIN32的"進程"概念，其含義則是"應用程序"，也就是相當於UNIX下的exec了。
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