Linux进程简述

Linux进程简述

关于Linux进程相关的几个内容

• Linux进程的创建 对应于函数：fork()
• Linux进程的退出，结束 对应于函数：exit()
• Linux进程的执行 对应于函数：execve()

对于进程的创建，系统调用fork()允许一个进程(父进程)创建一个新进程(子进程)。新的进程几乎就等于父进程的翻版，子进程获得了父进程的栈，数据段，堆和执行文本段的拷贝。

对于进程的终止，则是使用exit(status)函数，此函数会将进程所占用的所有资源(内存，文件描述符等)归还内核，交给内核进行再次分配。status这个参数则表明了进程退出的状态，父进程可以使用wait()来获取到该状态。

系统会调用wait(),其原因有二：

• 如果子进程尚未调用exit()终止，那么wait()会挂起父进程直至子进程终止
• 子进程的终止状态通过wait()的status参数来进程返回

最后，系统调用execve(pathname,argv,envp)来加载一个新的程序到当前进程的内存之中，注意，在子进程的内存中现在还存在着父进程留下的程序文本段，但是此函数执行后，会丢弃掉现存的程序文本段，并为新程序重新创建栈，数据段，以及堆，把这一系列的行为称之为：execing。值得注意的是exec开头的还有多个函数，但是无一例外，它们都是由execve函数为基础的。

对以上的内容稍微做个总结可以得出如下图的内容，下图以一个shell执行命令为例子：

进程创建

如上所述，创建新景程主要是使用了以下函数：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void)

理解这个函数需要知道如下的信息：

• 在此函数调用之后就已经存在两个进程了
• 这两个 进程拥有相同的程序文本段，也就是说，若果什么都不做，这两个进程会执行相同的指令
• 然而，这两个进程却拥有不同的栈，数据段，以及堆拷贝，也就是说，两个进程各自修改栈数据与堆变量都不会受另一个进程的影响。

就代码层面上而言，是通过fork的返回值来区别两个进程的。对于父进程，直接返回的是子进程的进程ID，这很好理解，因为父进程通常都会fork出不止一个子进程，所以知道子进程的进程号是很有必要的，相对地，子进程的返回值则是0，因为它只需要自己就可以了，因为其返回值是0，所以若是有必要的话，子进程可以使用getpid()来得到自身的pid，也可以调用getppid来获取到父进程的pid。

进程创建之后的调用

关于fork函数调用完 之后的函数执行顺序(即谁先被cpu调度)，需要知道的就是，这个是无法确定的，这个是很好理解的，因为你无法确认cpu的指令执行进度，在这种时候，很容易出现 ”竞争条件“的错误，这是由内核根据系统当时的负载而做出的调度决定，因而，很难进行调试 。若是在这个时候，需要对执行顺序进行控制，有以下的方法：

• 可以在fork执行完成之后，让父进程执行sleep函数，以此来确保子进程可以获取到被先执行的机会，从而将执行顺序给固定下来，当然从理论上讲的话，这种方法不是百分之百有用的。

• 利用同步来进行同步，其中包含信号量，文件锁，进程间pipe等。

关于fork之后，是子进程先执行，还是父进程先执行，其实各有各的理由，若是父进程先执行，那么父进程依旧会为子进程复制那些修改后的数据，然而子进程一旦获得调度，执行exec，之前的复制工作就纯粹是浪费。反过来，若是子进程先执行，在这时，父进程这是处于cpu活跃中的状态，让其挂起则是低效率的。

虽然这么说，但是在应用程序来说，无乱哪一个进程先执行，影响都不大。

进程的终止

进程的终止，主要是有以下两种方式：

• 一种为异常，它是由接收某一信号而引起的，该信号的默认动作就是终止当前线程，同时可能产生core dump文件。
• 当然，同样能够去正常终止线程，此时需要调用以下函数：

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

该函数中的status值定义了终止状态值，父进程可以调用wait()来获取这个值。按照惯例，当返回值为0时，就表示success，而非0，这是失败，具体的失败值需要具体定义。

• 值得一提的是，对于进程的终止还有一种方式，那就是在main函数中进行返回，其实在 此处返回最终执行的依然是exit函数。

以上一直在说函数：_exit(),但是通常情况下，程序一般不会直接执行该函数，而是会执行库函数：exit()。

该函数主要是做了以下步骤的工作：

• 调用退出程序(通过atexit(),on_exit()注册进去的)，其执行顺序和其注册顺序相反，这很好理解，越早注册，那么需要进行的清理等操作就越基础一些。
• 刷新stdio的缓冲区
• 最后才是使用之前一直提到的函数_exit()

这里需要说明下，这个注册进去的退出程序是由程序员自己所定义的内容，执行程序员想要的回收相关工作。

还需要注意的是，这个退出程序只有在正常退出情况下才会执行，而在异常情况下，则不会执行，这个就很好理解了， 这个只调用库函数时才会调用。

监控子进程

有一种情况，那就是父进程需要知道子进程在何时改变了状态，在Linux主要靠以下技术来进行监控：

• 系统调用：wait()
• 信号 ： SIGCHLD

系统调用的函数声明如下;

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);

这个函数的行为主要如下：

• 若是之前并没有子进程被终止，那么调用将一直阻塞，直至某个子进程被终止了，如果调用时已经有子进程被终止了，wait()会立刻返回
• 若是status不为空，那么子进程如何终止的信息通过status指向整型变量返回。
• 内核会为父进程下所有的子进程的运行总量追加cpu时间以及资源使用数据

僵尸进程与孤儿进程

大家都知道，父进程与子进程的生命周期一般都是不同的，它们长短不一。这会有以下几个问题：
* 谁是孤儿进程的父进程？答案是所有进程之父，进程id为1的init进程会接管孤儿进程，换言之，某一进程的父进程终止之后，对其使用getppid会得到1.这也是一个判断某一进程直接父进程是否还存在的方法。
* 那么父进程在执行wait()之前，子进程就终止了，这是什么情况？这时候系统仍然允许父进程在之后某一时刻去执行wait，以此来确定子进程是如何结束的。在这种情况下，即父进程未执行wait，内核会将进程转化为僵尸进程，换句话说，系统会将子进程的大部分资源释放，仅仅在内核进程表中保存一条记录，里面包含了子进程id，终止状态，资源使用数等信息。僵尸进程之所以叫僵尸进程，原因在于它无法使用信号来杀死，这可以确保父进程总是可以执行wait。

但是有一个问题，若是父进程创建了子进程，然后并没有执行wait，那么内核进程表将会永远为该进程保留这么一条记录，若是大量的僵尸进程存在，势必会填满内核进程表，从来阻碍新进程的创建。这时候唯一的方法就是杀死它们的父进程，然后将子进程交接给init进程，init进程会自动调用wait来清理这些进程

SIGCHLD信号

当子进程终止时，其父进程会收到SIGCHLD的信号，可以利用该信号设置信号处理程序来进行处理。