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Linux进程存储结构和进程结构

可执行文件结构

如下图：

可以看出，此ELF可执行文件存储时（没有调入内存）分为代码区、数据区和未出花数据区三部分。

代码区：存放cpu的执行的机器指令。

数据区：包含程序中的已经初始化的静态变量，以及已经初始化的全局变量。

未初始化数据区：存入的是未初始化的全局变量和未初始化的静态变量。

现在在上面的程序代码中增加一个int的静态变量，结果如下：

代码部分增加了4个字节，是int的大小。

进程结构

如果将一个ELF格式可执行文件加载到内存中运行，则将演变成一个或多个进程。进程是Linux事务管理的基本单元，所有的进程均拥有独立的环境和资源。

下图展示一个ELF可执行文件的存储结构和Linux进程基本结构的对照：

上图仅给出了一个进程的在内存中申请的代码区、初始化数据区、未初始化数据区、堆区、栈区五个部分。

为了更好的管理linux所访问的资源，系统定义了进程控制块（PCB）结构体来管理每个进程资源，如图：

而进程资源分为：

内核空间进程资源和用户空间进程资源

内核空间进程资源即PCB相关的信息。用户空间进程资源包括：通过成员mm_struct映射的内存空间。

进程状态

// 内核进程结构
#define TASK_RUNNING		0   // 就绪
#define TASK_INTERRUPTIBLE	1   // 中断等待
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE	2   // 不可中断等待
#define __TASK_STOPPED		4   // 僵死
#define __TASK_TRACED		8   // 暂停       
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE		16
#define EXIT_DEAD		32
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD		64
#define TASK_WAKEKILL		128
#define TASK_WAKING		256

    TASK_RUNNING表示进程要么正在执行，要么正要准备执行。

    TASK_INTERRUPTIBLE表示进程被阻塞（睡眠），直到某个条件变为真。条件一旦达成，进程的状态就被设置为TASK_RUNNING。

    TASK_UNINTERRUPTIBLE的意义与TASK_INTERRUPTIBLE类似，除了不能通过接受一个信号来唤醒以外。

    __TASK_STOPPED表示进程被停止执行。

    __TASK_TRACED表示进程被debugger等进程监视。

    EXIT_ZOMBIE表示进程的执行被终止，但是其父进程还没有使用wait()等系统调用来获知它的终止信息。

    EXIT_DEAD表示进程的最终状态。

    EXIT_ZOMBIE和EXIT_DEAD也可以存放在exit_state成员中。进程状态的切换过程和原因大致如下图（图片来自《Linux Kernel Development》）

进程基本属性

进程号（PID）

PID是系统维护的唯一标示一个进程的正整数，进程号是无法在用户层修改的。在Linux系统中，系统的第一个用户进程是init进程，PID是1，其他的进程的PID依次增加，如下：

在应用编程中可以使用getpid()函数获取当前进程的PID.具体参见：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/getpid.html

父进程号（PPID）

除init进程外的所有进程都是由另一进程创建的，该进程成为父进程，被创建的进程成为子进程。PPID一样无法在用户层修改。使用getppid()函数获取当前进程的父进程号。参见：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/getppid.html

进程组号（PGID）

和用户管理一样，进程也有自己的进程号（PID）和进程组号（PGID）。进程组是一个或多个进程的集合。他们与同一个作业相关联，可以接受来自同一个终端的各种信号，但是进程组号可以在用户层修改。

使用getpgid()函数获取指定进程的进程组号。详见：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/getpgid.html

下面一个程序是总和上面三个函数使用的示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
	int i;
	printf("\tpid\t ppid \t pgid\n");             // 提示信息
	printf("parent\t%d\t%d\t%d\n",getpid(),getppid(),getpgid(0));  // 当前进程信息
	for(i=0;i<2;i++)
		if(fork()==0)
			printf("child\t%d\t%d\t%d\n",getpid(),getppid(),getpgid(0)); // 子进程信息
	return 0;
}

此外，getpgrp()也可以用来获取当前进程的进程组号。参见：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/getpgrp.html

会话

会话（session）是一个或多个进程的合集。系统调用函数getsid()用来获取某个进程会话的SID。

参见：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/getsid.html

某进程的sid是可以修改的，函数setsid()用于创建新的会话。here : http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/setsid.html

控制终端

会话和进程组有如下特点：

为了让终端设备驱动程序将信号送到进程，可以调用tcgetpgrp()获取前台进程组的进程组号。返回与打开的终端相关联的前台进程组号。http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/tcgetpgrp.html

tcsetpgrp()函数用来设置某个进程组是前台还是后台进程组。http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/tcsetpgrp.html

如果进程有一个控制终端，则将前台进程组ID设置为pgrpid,这个值应该在用一个会话中的一个进程组的id，参数fileds是控制终端文件描述符。

tcgetsid(*)函数获取当前控制终端的会话首进程的会话id。http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/tcgetsid.html

下面是使用上面的函数示例:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int fd;	
    pid_t pid;
    pid=fork();     // 创建新进程
    if(pid==-1)
	perror("fork");
    else if(pid>0)
    {
       wait(NULL);
       exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else
    {
        if((fd=open("/dev/pts/0",O_RDWR))==-1) // 因为是网络终端，在此打开终端以确认
        {
           perror("open");
        }
	printf("pid=%d,ppid=%d\n",getpid(),getppid());         // 获取进程号& 父进程
        printf("sid=%d,tcgetsid=%d\n",getsid(getpid()),tcgetsid(fd)); // 读取会话sid和终端sid
        printf("tcgetpgrp=%d\n",tcgetpgrp(fd));        // 读取终端前台进程
        printf("pigd=%d\n",getpgid(getpid()));      // 读取进程组的ID
   }
}  

进程用户属性

Linux是权限哟有严格控制的操作系统，某个进程拥有真实的用户号（RUID）、真实用户组号（RGID）、有效用户号（EUID）、有效用户组号（EGID）信息。

在Linux系统中，文件的创建者是文件的拥有者，即文件的真实用户号为文件的拥有者号，使用ls -l 命令查看。

进程真实用户号（RUID）

对于进程而言，创建该进程的用户uid即是此进程的真实用户号。使用getuid(0函数获取当前进程的RUID。函数定义在unistd.h中。

具体参见：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/getuid.html

进程有效用户组号（EUID）

主要用于权限检查。多数情况下，EUID和UID相同，但是如果可执行文件的setuid位有效，则该文件的拥有者之外的用户在运行程序时，EUID和UID不一样，即当某个可执行文件设置了  setgid位后，任何用户（包括root）运行此程序时，其有效用户组EUID为该文件的拥有者。sunch as：

注意setuid位的特殊性，这个以后会专门讲解。

进程用户组号（GID）

创建进程的用户所在的组号为该进程的用户组号（GID），可以调用getgid()函数来获取当前进程的真实用户组号。

具体参见：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/getgid.html

下面是读取当前进程的UID/GID/EUID/EGID的示例程序：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
	printf("\tuid\tgid\teuid\tegid\n");
	printf("parent\t%d\t%d\t%d\t%d\n",getuid(),getgid(),geteuid(),getegid());
	if(fork()==0)
	{
		printf("child\t%d\t%d\t%d\t%d\n",getuid(),getgid(),geteuid(),getegid());
	}
	return 0;
}

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