1.简介

进程控制所需要熟练掌握的函数不多，只有fork、exec系列、_exit、wait和waitpid。

2.进程标识

每个进程都有一个唯一的非负整数PID，常常作为标识符的一部分以保证唯一性。

系统中有一些专用进程，其中常见的专用进程PID与说明如下：

  • 0:调度进程，也称之为交换进程。是内核的一部分，不执行磁盘上的程序，因此称之为系统进程。
  • 1:init：新版本中的文件为/sbin/init，负责在自举内核后启动unix提供—读取和系统有关的初始化文件，并将系统引导到一个状态。init进程也作为所有孤儿进程的父进程。

常用的API有：

  1. #include <unistd.h>
  2. pid_t getpid(void); // 获取调用进程的PID
  3. pid_t getppid(void); // 获取调用进程的父PID

1.fork

fork可以用于创建一个子进程，该子进程获取父进程的数据空间、堆和栈的内存数据结构副本，且该副本与父进程的内存数据结构保持隔离。

fork在父进程中调用会返回创建的子进程的PID，而子进程则会返回0，因此若需要让子进程做某些事情，常见的代码如下：

  1. pid_t pid = 0;
  2. if((pid = fork()) < 0){
  3.     err_sys("fork error.");
  4. }else if(pid == 0){
  5.     // do something
  6. }else{
  7.     // do nothing
  8. }

fork之后，子进程和父进程继续执行fork之后的指令。但执行顺序是不确定的，取决于内核的调度。

由于子进程会复制父进程的内存数据结构副本，这也包括了父进程打开的文件描述符表，因此子进程共享父进程的打开文件。同时，由于文件标中还记录了文件的偏移量，因此对打开文件的偏移量也是一致的。

进程控制 - 图1

2.fork的原理

fork在被当前进程调用的时候，内核为该进程分配一个新的唯一PID，并为其创建当前进程的mm_struct、区域结构和页表的原样副本，本质是使用了内存映射的共享对象。

当fork在新进程返回中，新进程的虚拟内存由于内存映射，也拥有了和父进程相同的虚拟内存。当它们对其中的内存进行写操作时，就会触发写时复制，从而保持了私有地址空间。

3._exit

进程有五种正常终止，即执行return、exit或pthread_exit等；也有三种异常终止，即调用abort，接收到某些信号或最后一个线程对“取消”作出响应。

无论如何终止，进程最后都会执行内核的同一段代码，该代码会为进程关闭所有打开的文件描述符，释放它所使用的存储器等。

我们希望有一种方法可以通知父进程它的子进程是如何终止的，方式是要么为终止函数（exit、_exit、_Exit）作为返回参数传递，要么在异常终止时内核产生一个终止状态，这都可以被父进程的wait或waitpid捕获。捕获的信息是一个数据结构，其至少包括

  • PID
  • 终止状态
  • 使用的CPU谁见总量

如果父进程在子进程之前终止，则该进程将会被PID=1的init进程收养。如果一个进程被init收养，则该进程终止的时候，init就会调用wait去获取该终止状态。

如果没有父进程对该数据结构进行捕获会怎么样？一个已经终止，但是父进程没有对其进行善后处理即获取信息，释放资源的进程被称之为僵尸进程。

僵尸进程产生的原因是父进程没有对其进行善后，因此只要找到该僵尸进程的父进程，并杀掉其父进程就可以让init收养该进程并释放其资源了。找到其父进程的指令为：

  1. ps -ef | grep defunct_process_pid

4.wait和waitpid

进程中止后，内核会对其父进程发送SIGCHLD信号。父进程可以忽略或为该信号提供一个调用函数。

  1. #include <sys/wait.h> 
  2. pid_t wait(int *statloc); 
  3. pid_t waitpid(pit_t pid,int *statloc,int options);
  • 若所有子进程都在运行，则阻塞
  • 若一个子进程已终止，取得返回状态并立刻返回
  • 没有任何子进程，则立刻出错返回-1

函数的返回值是已终止子进程的pid，其返回状态将存放在*statloc指针指向的单元中。若不关心返回状态，可以指定该参数为空指针。

检查返回状态的宏如图所示。

进程控制 - 图2

waitpid通过选项提供了wait函数以外的额外功能：

  • 可以指定特定的进程
  • waitpid提供了一个非阻塞版本。有时只是希望获取子进程的状态，并不想阻塞。
  • 支持作业控制。

进程控制 - 图3

5.exec

exec并不是用于获取父进程的一个副本，而是执行另一个程序。进程调用exec的时候，该进程的程序将会完全替换成新的程序，并从新程序的main函数开始执行。

由于exec并不是创建新程序，而是执行新程序，因此调用前后的PID不会改变，且会继承如PPID、用户组、进程组ID等属性。

和exec相关的函数有七个：

进程控制 - 图4

前四个函数取路径名作为参数，后两个取文件名，最后一个取文件描述符。其中，当指定filename为参数的时候

  • 如果filename有/，则看作路径名。
  • 否则就按照PATH环境变量，在指定的目录中寻找可执行文件。

最后，七个函数中仅仅有execve是系统调用，其他的函数都是对execve的间接调用。

进程控制 - 图5

这七个函数的参数表如下。

进程控制 - 图6

6.execve函数原理

execve的本质就是对进程的内存数据结构进行重加载，其加载并运行可执行文件需要以下的步骤

  • 删除已经存在的用户区域
  • 映射私有区域：为新程序的mm_struct如代码、数据、bss和栈进行创建。
  • 映射共享区域：与其共享对象或目标链接，如动态链接标准库等。如标准C库libc.so，先通过动态链接并映射到虚拟内存空间的共享区域中。
  • 设置程序计数器：设置PC，使其指向main函数等函数入口。

7.其他有趣的API

setuid和setgid用于更改用户id和组id。

system函数用于在程序中执行一个命令字符串。

nice函数用于更改进程的调度优先级。