2 Linux系统架构之系统调用与进程管理

在上一篇文章中，我们探讨了Linux内核的基础知识，了解了内核的结构、功能以及它与用户空间的关系。本篇将深入讨论Linux系统中的“系统调用”及“进程管理”，为后面的文件系统结构打下基础。

一、系统调用

1.1 定义及作用

系统调用是用户程序与操作系统内核之间交互的接口。通过系统调用，用户程序能够请求内核执行特权操作，如访问硬件、分配内存及创建进程等。系统调用是实现应用程序与操作系统之间核心连接的机制。常见的系统调用包括：open、read、write、fork 和 exec 等。

1.2 系统调用的流程

当用户程序需要调用系统调用时，其流程大致如下：

1. 应用程序调用一个特定的库函数（例如，printf）。
2. 库函数内部调用系统调用（例如，write）。
3. CPU进入内核模式，保存现场信息。
4. 控制权转移到内核中的系统调用处理程序。
5. 内核完成请求，返回结果。
6. CPU退出内核模式，恢复现场信息。
7. 控制返回用户程序，继续执行。

这里需要注意的是，用户程序使用的许多标准库函数都是通过系统调用间接实现的。

1.3 使用示例

我们来看一个简单的系统调用示例。下面的代码展示了如何使用系统调用创建一个新进程：

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

int main() {
    pid_t pid = fork(); // 创建新进程

    if (pid < 0) {
        perror("Fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("This is the child process.\n");
    } else {
        // 父进程
        printf("This is the parent process. Child pid: %d\n", pid);
    }

    return 0;
}

在这个例子中，fork 系统调用被用来创建一个新进程。它会返回两次，分别在父进程和子进程中。通过 pid 的值，我们可以判断当前执行的代码块是父进程还是子进程。

二、进程管理

2.1 进程的概念

进程是在程序被加载到内存并开始执行后产生的基本单位。它是资源分配的基本单位，每个进程拥有自己的地址空间、数据栈和其他辅助变量。

2.2 进程状态

进程有多种状态，主要包括：

• 运行：进程正在CPU上执行。
• 就绪：进程已准备好执行，但等待分配CPU。
• 阻塞：进程因某些原因无法执行，如等待I/O操作完成。

2.3 进程的生命周期

进程的生命周期可以分为以下几个阶段：

1. 创建：通过 fork 或 exec 系统调用创建新的进程。
2. 就绪：抵达就绪队列，等待CPU时间片。
3. 运行：获取CPU，执行任务。
4. 阻塞或等待：因I/O或其他原因，进入阻塞状态。
5. 结束：通过 exit 系统调用终止进程。

2.4 进程间通信（IPC）

在Linux中，不同进程之间常常需要通信。这可以通过多种方式实现，如：

• 管道（Pipe）：允许两个进程进行简单的字节流通信。
• 消息队列（Message Queue）：允许进程以消息的形式交换信息。
• 共享内存（Shared Memory）：多个进程可以访问同一块内存。
• 信号（Signal）：用于通知进程某种事件的发生。

2.5 使用示例

以下为演示如何使用管道进行进程间通信的代码示例：

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

int main() {
    int pipefd[2];
    char buffer[100];

    // 创建管道
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程：关闭读取端，写入数据
        close(pipefd[0]);
        const char *message = "Hello from child";
        write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1);
        close(pipefd[1]);
    } else {
        // 父进程：关闭写入端，读取数据
        close(pipefd[1]);
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
        printf("Received: %s\n", buffer);
        close(pipefd[0]);
    }

    return 0;
}

在这个例子中，父进程和子进程通过创建的管道进行通信，子进程向管道写入字符串，而父进程从管道中读取并输出。

2.6 进程调度

Linux内核使用进程调度算法来合理分配CPU时间，常见的调度算法包括：轮转调度、最短作业优先和完全公平调度（CFS）。调度的目标是提高系统的响应性和吞吐量。

三、小结

本文详细讲解了Linux系统中的系统调用和进程管理机制。从系统调用的作用到进程的生命周期，再到进程间通信，理解这些概念对于深入掌握Linux系统的架构和管理至关重要。我们将在下一篇文章中转向Linux文件系统结构，这将帮助我们进一步理解存储和文件的管理与操作。

希望本篇内容能够为你的Linux系统管理学习提供帮助。