UNIX 環(huán)境高級編程｜進(jìn)程控制（上）

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本文為《UNIX 環(huán)境高級編程》第 8 章學(xué)習(xí)筆記

對在 UNIX 環(huán)境中的高級編程而言，完整地了解 UNIX 的進(jìn)程控制是非常重要的。

其中必須熟練掌握的只有幾個函數(shù)——fork、exec 系列、_exit、wait 和 waitpid。很多應(yīng)用程序都使用這些簡單的函數(shù)。fork 函數(shù)也給了我們一個了解競爭條件的機(jī)會。

本章說明了 system 函數(shù)和進(jìn)程會計(jì)，這也使我們能進(jìn)一步了解所有這些進(jìn)程控制函數(shù)。

本章還說明了 exec 函數(shù)的另一種變體：解釋器文件以及它們的工作方式。

對各種不同的用戶 ID 和組 ID（實(shí)際、有效和保存的）的理解，對編寫安全的設(shè)置用戶 ID 程序是至關(guān)重要的。

8.2 進(jìn)程標(biāo)識

每個進(jìn)程都有一個非負(fù)整數(shù)表示的唯一進(jìn)程 ID。

因?yàn)檫M(jìn)程 ID 標(biāo)識總是唯一的，常將其用作其他標(biāo)識符的一部分以保證其唯一性。

雖然是唯一的，但是進(jìn)程 ID 是可復(fù)用的。

當(dāng)一個進(jìn)程終止后，其進(jìn)程 ID 就成為復(fù)用的候選者。

大多數(shù) UNIX 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)延遲復(fù)用算法，使得賦予新建進(jìn)程的 ID 不同于最近終止進(jìn)程所使用的 ID。

這防止了將新進(jìn)程誤認(rèn)為是使用同一 ID 的某個已終止的先前進(jìn)程。

系統(tǒng)中有一些專用進(jìn)程，但具體細(xì)節(jié)隨實(shí)現(xiàn)而不同。

ID 為 0 的進(jìn)程通常是調(diào)度進(jìn)程，常常被稱為交換進(jìn)程。

該進(jìn)程是內(nèi)核的一部分，它并不執(zhí)行任何磁盤上的程序，因此也被稱為系統(tǒng)進(jìn)程。

ID 為 1 的進(jìn)程通常是 init 進(jìn)程，在自舉過程結(jié)束時由內(nèi)核調(diào)用。

該進(jìn)程的程序文件在 UNIX 早期版本是 /etc/init，在較新的版本中是 /sbin/init。

該進(jìn)程負(fù)責(zé)在自舉內(nèi)核后啟動一個 UNIX 系統(tǒng)。

該進(jìn)程通常讀取與系統(tǒng)有關(guān)的初始化文件（/etc/rc* 文件，/etc/inittab 文件以及 /etc/init.d 中的文件），并將系統(tǒng)引導(dǎo)到一個狀態(tài)（如多用戶）。

該進(jìn)程永遠(yuǎn)不會終止。

該進(jìn)程是一個普通的用戶進(jìn)程（與交換進(jìn)程不同，它不是內(nèi)核中的系統(tǒng)進(jìn)程），但是它以超級用戶特權(quán)運(yùn)行。

每個 UNIX 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都有它自己的一套提供操作系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)核進(jìn)程。

除了進(jìn)程 ID，每個進(jìn)程還有一些其他標(biāo)識符。下列函數(shù)返回這些標(biāo)識符：

#include pid_t getpid(void); // 返回值：調(diào)用進(jìn)程的進(jìn)程 ID pid_t getppid(void); // 返回值：調(diào)用進(jìn)程的父進(jìn)程 ID uid_t getuid(void); // 返回值：調(diào)用進(jìn)程的實(shí)際用戶 ID uid_t geteuid(void); // 返回值：調(diào)用進(jìn)程的有效用戶 ID gid_t getgid(void); // 返回值：調(diào)用進(jìn)程的實(shí)際組 ID gid_t getegid(void); // 返回值：調(diào)用進(jìn)程的有效組 ID

注意：這些函數(shù)都沒有出錯返回。

8.3 函數(shù) fork

一個現(xiàn)有的進(jìn)程可以調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建一個新進(jìn)程：

#include pid_t fork(void); // 返回值：若成功，子進(jìn)程返回 0，父進(jìn)程返回子進(jìn)程 ID；若出錯，返回 -1

由 fork 創(chuàng)建的新進(jìn)程被稱為子進(jìn)程。

fork 函數(shù)被調(diào)用一次，但返回兩次。

將子進(jìn)程 ID 返回給父進(jìn)程的理由是：一個進(jìn)程的子進(jìn)程可以有多個，并且沒有一個函數(shù)使一個進(jìn)程可以獲得其所有子進(jìn)程的進(jìn)程 ID。

子進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行 fork 調(diào)用之后的指令。

子進(jìn)程是父進(jìn)程的副本。

獲得父進(jìn)程數(shù)據(jù)空間、堆和棧的副本。

父進(jìn)程和子進(jìn)程并不共享這些存儲空間部分。

父進(jìn)程和子進(jìn)程共享正文段。

由于在 fork 之后經(jīng)常跟隨著 exec，所以現(xiàn)在的很多實(shí)現(xiàn)并不執(zhí)行一個父進(jìn)程數(shù)據(jù)段、棧和堆的完全副本。

作為替代，使用了寫時復(fù)制（Copy-On-Write，COW）技術(shù)，

這些區(qū)域由父進(jìn)程和子進(jìn)程共享，而且內(nèi)核將它們的訪問權(quán)限改變?yōu)橹蛔x。

如果父子進(jìn)程中任一個試圖修改這些區(qū)域，則內(nèi)核只為修改區(qū)域的那塊內(nèi)存制作一個副本，通常是虛擬存儲系統(tǒng)中的一“頁”。

一般來說，在 fork 之后是父進(jìn)程先執(zhí)行還是子進(jìn)程先執(zhí)行是不確定的，這取決于內(nèi)核所使用的調(diào)度算法。如果要求父進(jìn)程和子進(jìn)程之間相互同步，則要求某種形式的進(jìn)程間通信。

文件共享

在重定向父進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出時，子進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出也被重定向。

實(shí)際上，fork 的一個特性是父進(jìn)程的所有打開文件描述符都被復(fù)制到子進(jìn)程中。

這里的“復(fù)制”，指對每個文件描述符來說，就好像執(zhí)行了 dup 函數(shù)。父進(jìn)程和子進(jìn)程每個相同的打開描述符共享一個文件表項(xiàng)。

父進(jìn)程和子進(jìn)程共享同一個文件偏移量。

在 fork 之后處理文件描述符有以下兩種常見的情況：

父進(jìn)程等待子進(jìn)程完成。

父進(jìn)程無需對其描述符做任何處理。

當(dāng)子進(jìn)程終止后，它曾經(jīng)進(jìn)行過讀、寫操作的任一共享描述符的文件偏移量已做了相應(yīng)更新。

父進(jìn)程和子進(jìn)程各自執(zhí)行不同的程序段。

父進(jìn)程和子進(jìn)程各自關(guān)閉它們不需要使用的文件描述符，這樣就不會干擾對方使用的文件描述符。這種方法是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)程經(jīng)常使用的。

除了打開文件之外，父進(jìn)程的很多其他屬性也由子進(jìn)程繼承：

實(shí)際用戶 ID、實(shí)際組 ID、有效用戶 ID、有效組 ID

附屬組 ID

進(jìn)程組 ID

會話 ID

控制終端

設(shè)置用戶 ID 標(biāo)志和設(shè)置組 ID 標(biāo)志

當(dāng)前工作目錄

根目錄

文件模式創(chuàng)建屏蔽字

信號屏蔽和安排

對任一打開文件描述符的執(zhí)行時關(guān)閉標(biāo)志

環(huán)境

連接的共享存儲段

存儲映像

資源限制

父進(jìn)程和子進(jìn)程之間的區(qū)別具體如下：

fork 的返回值不同

進(jìn)程 ID 不同

各自的父進(jìn)程 ID 不同

子進(jìn)程的 tms_utime，tms_stime，tms_cutime 和 tms_ustime 的值設(shè)置為 0

子進(jìn)程不繼承父進(jìn)程設(shè)置的文件鎖

子進(jìn)程的未處理鬧鐘被清除

子進(jìn)程的未處理信號集設(shè)置為空集

使 fork 失敗的兩個主要原因是：

系統(tǒng)中已經(jīng)有了太多的進(jìn)程。

該實(shí)際用戶 ID 的進(jìn)程總數(shù)超過了系統(tǒng)限制。

CHILD_MAX 規(guī)定了每個實(shí)際用戶 ID 在任一時刻可擁有的最大進(jìn)程數(shù)。

fork 有兩種用法：

一個父進(jìn)程希望復(fù)制自己，使父進(jìn)程和子進(jìn)程同時執(zhí)行不同的代碼段。

這在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)程中是常見的：

父進(jìn)程等待客戶端的服務(wù)請求。

當(dāng)這種請求到達(dá)時，父進(jìn)程調(diào)用 fork，使子進(jìn)程處理此請求。

父進(jìn)程繼續(xù)等待下一個服務(wù)請求。

一個進(jìn)程要執(zhí)行一個不同的程序。

這對 shell 是常見的情況：

子進(jìn)程從 fork 返回后立即調(diào)用 exec。

8.4 函數(shù) vfork

vfork 函數(shù)的調(diào)用序列和返回值與 fork 相同，但兩者的語義不同：

vfork 函數(shù)用于創(chuàng)建一個新進(jìn)程，而該新進(jìn)程的目的是執(zhí)行一個新程序。

vfork 與 fork 一樣都創(chuàng)建一個子進(jìn)程，但是它并不將父進(jìn)程的地址空間完全復(fù)制到子進(jìn)程中，因?yàn)樽舆M(jìn)程會立即調(diào)用 exec（或 exit），于是也就不會引用該地址空間。

不過在子進(jìn)程調(diào)用 exec 或 exit 之前，它在父進(jìn)程的空間中運(yùn)行。

這種優(yōu)化工作方式在某些 UNIX 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中提高了效率，但如果子進(jìn)程修改數(shù)據(jù)（除了用于存放 vfork 返回值的變量）、進(jìn)行函數(shù)調(diào)用或者沒有 exec 或 exit 就返回都可能會帶來未知的結(jié)果。

vfokr 保證子進(jìn)程先運(yùn)行，在它調(diào)用 exec 或 exit 之后父進(jìn)程才可能被調(diào)度運(yùn)行，當(dāng)子進(jìn)程低啊用這兩個函數(shù)中的任意一個時，父進(jìn)程會恢復(fù)運(yùn)行。

如果在調(diào)用這兩個函數(shù)之前子進(jìn)程依賴于父進(jìn)程的進(jìn)一步動作，則會導(dǎo)致死鎖。

8.5 函數(shù) exit

進(jìn)程有 8 種方式使進(jìn)程終止，其中 5 種為正常終止，3 種為異常終止：

正常終止：

在 main 函數(shù)內(nèi)執(zhí)行 return 語句。

這等效于調(diào)用 exit。

調(diào)用 exit 函數(shù)。

此函數(shù)由 ISO C 定義，其操作包括調(diào)用個終止處理程序（終止處理程序在調(diào)用 atexit 函數(shù)時登記），然后關(guān)閉所有標(biāo)準(zhǔn) I/O 流等。

因?yàn)?ISO C 并不處理文件描述符、多進(jìn)程以及作業(yè)控制，所以這一定義對 UNIX 系統(tǒng)而言是不完整的。

調(diào)用 _exit 或 _Exit 函數(shù)。

ISO C 定義 _Exit，其目的是為進(jìn)程提供一種無需運(yùn)行終止處理程序或信號處理程序而終止的方法。

在 UNIX 系統(tǒng)中，_exit 和 _Exit 是同義的，并不沖洗標(biāo)準(zhǔn) I/O 流。

_exit 是由 POSIX.1 說明的，它由 exit 調(diào)用，處理 UNIX 系統(tǒng)特定的細(xì)節(jié)。

進(jìn)程的最后一個線程在其啟動例程中執(zhí)行 return 語句。

該線程的返回值不用作進(jìn)程的返回值。

當(dāng)最后一個線程從其啟動例程返回時，該進(jìn)程以終止?fàn)顟B(tài) 0 返回。

進(jìn)程的最后一個線程調(diào)用 pthread_exit 函數(shù)。

進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)總是 0，這與傳送給 pthread_exit 的參數(shù)無關(guān)。

異常終止：

調(diào)用 abort。

它產(chǎn)生 SIGABRT 信號，是下一種異常終止的一個特例。

接到一個信號。

信號可由進(jìn)程自身（如調(diào)用 abort 函數(shù)）、其他進(jìn)程或內(nèi)核產(chǎn)生。

最后一個線程對“取消”請求作出響應(yīng)。

默認(rèn)情況下，“取消”以延遲的方式發(fā)生：一個線程要求取消另一個線程，若干時間之后，目標(biāo)線程終止。

不管進(jìn)程如何終止，最后都會執(zhí)行內(nèi)核中的同一段代碼。這段代碼為相應(yīng)進(jìn)程關(guān)閉所有打開描述符，釋放它對所使用的存儲器等。

對上述任意一種終止情形，我們都希望終止進(jìn)程能夠通知其父進(jìn)程它是如何終止的。

對于 3 個終止函數(shù)，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法是，將其退出狀態(tài)作為參數(shù)傳遞給函數(shù)。

在異常終止情況下，該終止進(jìn)程的父進(jìn)程都能用 wait 或 waitpid 函數(shù)取得其終止?fàn)顟B(tài)。

注意，退出狀態(tài)是傳遞給 3 個終止函數(shù)的參數(shù)，或 main 的返回值，在最后調(diào)用 _exit 時，內(nèi)核將退出狀態(tài)轉(zhuǎn)換成終止?fàn)顟B(tài)。

如果子進(jìn)程先終止：

子進(jìn)程將其終止?fàn)顟B(tài)返回給父進(jìn)程。

如果父進(jìn)程先終止：

對于父進(jìn)程已經(jīng)終止的所有進(jìn)程，它們的父進(jìn)程都改為 init 進(jìn)程。

我們稱這些進(jìn)程由 init 進(jìn)程收養(yǎng)，其操作過程大致是：

在一個進(jìn)程終止時，內(nèi)核逐個檢查所有活動進(jìn)程，以判斷它是否是正要終止進(jìn)程的子進(jìn)程，如果是，則該進(jìn)程的父進(jìn)程 ID 就更改為 1。

這種處理方法保證了每個進(jìn)程有一個父進(jìn)程。

內(nèi)核為每個終止子進(jìn)程保存了一定量的信息，所以當(dāng)終止進(jìn)程的父進(jìn)程調(diào)用 wait 函數(shù)或者 waitpid 函數(shù)時，可以得到這些信息。

這些信息至少包括：終止進(jìn)程的進(jìn)程 ID、該進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)、該進(jìn)程使用的 CPU 時間總量。

一個已經(jīng)終止、但是等待父進(jìn)程對它進(jìn)行善后處理的進(jìn)程稱作僵死進(jìn)程，在 ps 命令中顯示為 Z。

所謂善后處理，就是父進(jìn)程調(diào)用 wait 函數(shù)或者 waitpid 函數(shù)讀取終止進(jìn)程的殘留信息

一旦父進(jìn)程進(jìn)行了善后處理，則終止進(jìn)程的所有占用資源（包括殘留信息）都得到釋放，該進(jìn)程被徹底銷毀

對于 init 進(jìn)程:

任何時候只要有一個子進(jìn)程終止，就立即調(diào)用 wait 函數(shù)取得其終止?fàn)顟B(tài)。

這種做法防止系統(tǒng)中塞滿了僵死進(jìn)程。

8.6 函數(shù) wait 和 waitpid

當(dāng)一個進(jìn)程正?；虍惓＝K止時，內(nèi)核就向其父進(jìn)程發(fā)送 SIGCHLD 信號。

因?yàn)樽舆M(jìn)程終止是一個異步事件，所以這種信號是內(nèi)核向父進(jìn)程發(fā)送的異步進(jìn)程。

父進(jìn)程可以選擇忽略該信號。這是系統(tǒng)的默認(rèn)動作。

父進(jìn)程也可以提供一個該信號發(fā)生時即被調(diào)用執(zhí)行的函數(shù)（信號處理程序）。

如果進(jìn)程由于接收到 SIGCHLD 信號而調(diào)用 wait，我們期望 wait 會立即返回。

但是如果在隨機(jī)時間點(diǎn)調(diào)用 wait，則進(jìn)程可能會阻塞。

#include pid_t wait(int *statloc); pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options); // 返回值：若成功，返回進(jìn)程 ID；若出錯，返回 0 或 -1

區(qū)別：

在一個子進(jìn)程終止前，wait 使其調(diào)用者阻塞，而 waitpid 有一選項(xiàng)，可使調(diào)用者不阻塞。

waitpid 并不等待在其調(diào)用之后的第一個終止子進(jìn)程，它有若干個選項(xiàng)，可以控制它所等待的進(jìn)程。

如果子進(jìn)程已經(jīng)終止，并且是一個僵死進(jìn)程，則 wait 立即返回并取得該子進(jìn)程的狀態(tài)；否則 wait 使其調(diào)用者阻塞，直到一個子進(jìn)程終止。

如果調(diào)用者阻塞而且它有多個子進(jìn)程，則在其某一子進(jìn)程終止時，wait 就立即返回。

因?yàn)?wait 返回終止子進(jìn)程的進(jìn)程 ID，所以它總能了解是哪一個子進(jìn)程終止了。

waitpid 可等待一個特定進(jìn)程，而 wait 則返回任一終止子進(jìn)程的狀態(tài)。

waitpid 提供了一個 wait 的非阻塞版本。有時希望獲取一個子進(jìn)程的狀態(tài)，但不想阻塞。

參數(shù)：

staloc：存放子進(jìn)程終止?fàn)顟B(tài)的地址。

如果不關(guān)心子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)，可以將該參數(shù)設(shè)為空指針。

pid：

如果 pid==-1：則等待任一子進(jìn)程終止。

如果 pid>0：則等待進(jìn)程 ID 等于 pid 的那個子進(jìn)程終止。

如果 pid==0：則等待組 ID 等于調(diào)用進(jìn)程組 ID 的任一子進(jìn)程終止。

如果 pid<0：等待組 ID 等于 pid 絕對值的任一子進(jìn)程終止。

options：使我們進(jìn)一步控制 waitpid 的操作。

或者是0，或者是下列常量按位或的結(jié)果：

有 4 個互斥的宏可用來取得進(jìn)程終止的原因，它們的名字都以 WIF 開始?；谶@ 4 個宏中哪一個值為真，就可選用其他宏來取得退出狀態(tài)、信號編號等。

8.7 函數(shù) waitid

Single UNIX Specification 包括了另一個取得進(jìn)程終止?fàn)顟B(tài)的函數(shù)——waitid，此函數(shù)類似于 waitpid，但提供了更多的靈活性。

#include int waitid(id_type_t idtype, id_t id, siginfo_t *infop, int options); // 返回值：若成功，返回 0；若出錯，返回 -1

參數(shù)：

idtype：可以為下列常量：

id：指定要等待的子進(jìn)程 ID，其作用與 idtype 的值相關(guān)。

infop：一個緩沖區(qū)的地址。

該緩沖區(qū)由 waitid 填寫，包含了造成子進(jìn)程狀態(tài)改變的有關(guān)信號的詳細(xì)信息。

options：指示調(diào)用者關(guān)注哪些狀態(tài)變化?？梢允窍铝谐Ａ康陌次换颍?/p>

WCONTINUED、WEXITED 或 WSTOPPED 這 3 個常量之一必須在 options 參數(shù)中指定。

8.8 函數(shù) wait3 和 wait4

函數(shù) wait3 和 wait4 提供的功能比 wait、waitpid 和 waitid 所提供的功能要多一個，這與附加參數(shù)有關(guān)。該參數(shù)允許內(nèi)核返回由終止進(jìn)程及其所有子進(jìn)程使用的資源概況。

#include #include #include #include pid_t wait3(int *statloc, int options, struct rusage *rusage); pid_t wait4(pid_t pid, int *statloc, int options, struct rusage *rusage); // 返回值：若成功，返回進(jìn)程 ID；若出錯，返回 -1

參數(shù)：

statloc：存放子進(jìn)程終止?fàn)顟B(tài)的緩沖區(qū)的地址。

如果不關(guān)心子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)，可以將它設(shè)為空指針。

rusage：存放由 wait3 和 wait4 返回的終止子進(jìn)程的資源統(tǒng)計(jì)信息的緩沖區(qū)地址。

資源統(tǒng)計(jì)信息包括用戶 CPU 時間總量、系統(tǒng) CPU 時間總量、缺頁次數(shù)、接收到信號的次數(shù)等。

pid 和 options 參數(shù)的意義與 waitpid 相同。

8.9 競爭條件

當(dāng)多個進(jìn)程都企圖對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理，而最后的結(jié)果又取決于進(jìn)程運(yùn)行的順序時，我們認(rèn)為發(fā)生了競爭條件。

如果在 fork 之后的某種邏輯顯式或隱式地依賴于在 fork 之后是父進(jìn)程先運(yùn)行還是子進(jìn)程先運(yùn)行，那么 fork 函數(shù)就會是競爭條件活躍的滋生地。

如果一個進(jìn)程希望等待一個子進(jìn)程終止，則它必須調(diào)用 wait 函數(shù)中的一個。如果一個進(jìn)程要等待其父進(jìn)程終止，則可使用下列形式的循環(huán)：

while (getppid() != 1) { sleep(1); }

這種形式的循環(huán)稱為輪詢，它的問題是浪費(fèi)了 CPU 時間，因?yàn)檎{(diào)用者每隔 1s 都被喚醒，然后進(jìn)行條件測試。

為了避免競爭條件和輪詢，在多個進(jìn)程之間需要有某種形式的信號發(fā)送和接收的方法。在 UNIX 中可以使用信號機(jī)制，各種形式的進(jìn)程間通信（IPC）也可以使用。

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