第三章学习笔记

Unix/Linux进程管理

知识点总结

多任务处理：

Unix和Linux支持多任务处理，这意味着它们能够同时运行多个进程。
多任务处理的优点包括更高的系统利用率和更好的响应时间。
进程之间是相互独立的，它们不会干扰彼此的执行。

进程：

进程是一个正在执行的程序实例。它包括程序的代码、数据、寄存器状态和系统资源的信息。
每个进程都有一个唯一的进程标识符（PID），用于操作和跟踪该进程。
进程可以通过fork系统调用创建新的进程，这些新进程通常称为子进程。

多任务处理系统：

多任务处理系统使用调度器来决定哪个进程在给定时间片内运行。
调度器使用不同的调度算法，如时间片轮转或优先级调度，以确定进程的执行顺序。
进程可以在运行、就绪、或休眠状态之间切换，这取决于它们的状态和优先级。

进程同步：

进程同步是确保多个进程能够协调工作的关键问题。
互斥锁用于确保只有一个进程可以访问共享资源，避免竞争条件。
信号量可以用于控制并发访问，以避免资源争夺问题。
条件变量可用于在进程之间进行通信和协调。

进程终止：

进程可以正常终止，这通常是通过执行完其主要任务或调用exit系统调用来实现的。
进程还可以由操作系统强制终止，例如在出现错误或资源不足时。
父进程可以通过wait或waitpid系统调用等待子进程终止，并获取子进程的退出状态码。

苏格拉底挑战

问题及解决方案

1.竞争条件（Race Conditions）问题：

问题描述：多个进程或线程尝试同时访问共享资源，导致不可预测的结果。
解决方案：使用互斥锁、信号量、条件变量等机制来同步进程，确保资源的互斥访问。

2.死锁问题：

问题描述：多个进程相互等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行。
解决方案：实施适当的死锁检测和解除策略，或者避免循环等待。

3.进程间通信问题：

问题描述：进程需要在不同地址空间的情况下进行通信，例如，父子进程或不相关进程之间的通信。
解决方案：使用进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存、套接字等，以安全地进行数据传递。

4.资源泄漏问题：

问题描述：进程在终止时未释放已分配的资源，如内存、文件描述符，导致系统资源泄漏。
解决方案：编写良好的代码以确保资源在不再需要时被正确释放，或使用自动资源管理工具如RAII（资源获取即初始化）。

5.性能问题：

问题描述：系统负载高，响应时间慢，或者进程之间的竞争导致性能下降。
解决方案：优化代码、使用多线程或进程池，采用更高效的算法，以提高系统性能。

6.进程崩溃问题：

问题描述：进程崩溃可能导致数据损坏或系统不稳定。
解决方案：实施进程监控和自动重启机制，以便在进程崩溃时快速恢复。

7.资源争夺问题：

问题描述：多个进程竞争有限的资源，如锁、内存或文件句柄。
解决方案：实施资源管理策略，以防止资源争夺，或通过限制资源使用来避免资源过度使用。

实践

多任务处理

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int pid = fork(); // 创建子进程
    if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("Child process is running\n");
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程代码
        printf("Parent process is running\n");
    } else {
        // 创建进程失败
        perror("fork");
    }
    return 0;
}

创建多进程

进程同步:

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int shared_variable = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *increment(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        shared_variable++;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_create(&thread1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, increment, NULL);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    printf("Shared variable: %d\n", shared_variable);
    return 0;
}

在这个示例中，两个线程通过互斥锁（pthread_mutex_t）同步地增加shared_variable的值，以避免竞争条件。

进程终止:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Child process is running\n");
        exit(0); // 正常终止子进程
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程
        sleep(2); // 等待2秒
        printf("Parent process is running\n");
    }
    return 0;
}