Linux的进程, since 2020-11-01

进程Process

进程和程序的关系

程序规定了活动的动作，但应用程序不等于进程(process)。进程是程序的一个具体实现，只有运行程序，才能产生一个进程。程序与进程，类似于食谱和做菜的关系。进程是执行程序的过程。在Linux中用ps来查询正在运行的进程。

$ps -eo pid,cmd #-e表示列出全部进程，-eo pid,cmd表示需要的信息

上面指令的返回结果中，有的CMD名字用[]中括号包围起来的，是内核的一部分功能，被打扮成进程的样子方便操作系统管理。PID为1的进程一定是由/sbin/init程序运行而形成 (在MacOS中为/sbin/launchd)。

操作系统的一个重要功能就是管理进程，为进程提供必要的计算机资源，如内存空间，管理进程的相关信息。

进程的生成: fork机制

当Linux启动，init是系统内核创建的第一个进程也是唯一一个进程，它会一直存在直到关闭计算机。其他的进程，如音乐播放器Shell等等除了init外的所有进程，都是通过fork机制创建。fork为“分叉”，从老进程中复制出一个新进程。老进程分出新进程后，老金城继续运行，称为新进程的父进程(parent process)，新进程称为老进程的子进程(child process)。在Shell中，进程ID称为PID，父进程ID称为PPID。用下面指令查询当亲Shell下的进程和其父进程。

$ps -o pid,ppid,cmd

任何进程，沿着PPID循迹而上，都会发现源头是init，查询结果显示，绝大多数进程的PPID都是1。Linux的所有进程构成了一个树状结构，该树以init为根，用pstree显示树莓派的整个进程树。

fork系统调用

通过fork系统调用生成新的进程，调用发生后就有父与子两个进程，而两者的进程空间完全相同。

系统如何知道自己是父与子中的哪一个？
fork之后有两个进程，fork系统调用会返回两次。

一次返回到父进程，把子进程的PID作为返回值交给父进程。如果fork不成功，那么fork调用就会返回一个负值给父进程。

另一次返回到子进程，用0作为返回值。检察fork调用的返回值，如果是0，进程就知道自己是子进程。父进程通过fork返回值知道子进程的PID，进程通过PPID知道自己的父进程，进程们因此知道自己在进程树中的位置。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void){
pid_t pid;
pid = fork();
if (pid < 0) {
    printf('fork error\n');
    exit(1);
} else if (pid == 0) {
    /*子进程*/
    printf('child: %d\n',getpid()); //getpid用于获取当前进程的PID
    sleep(1);
} else {
    /*父进程*/
    printf('parent: %d\n', getpid());
    sleep(2);
  }
}

进程通过fork返回弄清了自己是子或父进程，就能根据情况执行不同的任务。获知自己是子进程后，可通过exec系统函数中的一个来加载新的程序文件，从而与父进程执行不同的任务。比如Shell执行ls指令，会先fork自己的进程，然后在子进程中运行/bin/ls这个程序文件。

资源fork

进程空间记录进程的数据和状态。当进程fork时，Linux需要在内存中分配新的进程间给新进程。进程空间还记录了进程的转台和数据。原有进程空间的所有内容，如程序段、全局数据、栈和堆，都要复制到新的进程空间中。

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

int main(void) {
pid_t pid;
int var = 1024;
pid = fork();
if (pid <0) {
    printf('fork error\n');
    exit(1);
} else if (pid == 0) {
    /*子进程*/
    printf('child: %d\n', var);
} else {
    /*父进程*/
    sleep(1);
    printf('parent: %d\n', var);
    }
return 0;
}

除了空间，fork还会复制进程描述符(process descriptor, pd)。内核中保存了每个进程的相关信息，即pd。每个进程都在内核中有一个对应的pd。PID、PPID、信号，都在pd中。

fork之后系统出现了新的进程，内核要增加对应进程的pd。child从parent继承的内容(即相同信息)包括：

• 当前工作目录 pwd
• 环境变量 env var
• 已经打开的文件的相关信息
• 信号mask和disposition

parent和child有的信息不同：

• PID/PPID
• 进程运行的相关信息在子进程中重置为0
• parent的文件锁在child中清空
• parent的未处理信号在child中被清空

这些信息都是描述进程个体特征的信息。

最小权限原则 least privilege

Linux中的该原则，收缩进程所享有的权限，以防进程滥用特权。进程权限也是根据用户身份进行分配。进程的不同阶段可能需要不同的特权。进程与身份挂钩，意味着进程需要在不同身份之间变化。

三个身份：真实身份、存储身份和有效身份。每个身份含有UID(user?)和GID(group?)。真实身份是用户登录使用的身份；存储身份如果设置，是程序文件的拥有者；有效身份是判断进程权限时使用的身份。

进程运行中，可从真实身份和存储身份中选择一个，复制到有效身份。并不是所有的程序都需要设置存储身份。需要这么做的程序文件会把权限的执行位上的x改为s。这时，用户权限的这一位叫做设置UID位(set UID bit)，而组权限的这一位叫做设置GID位(set GID bit)。

进程终结

进程终结的情况

• main函数结尾调用return
• 程序中的某个位置调用exit函数退出
• 根据信号终结
• 进程出现致命错误，如进程出现栈溢出

进程终结时有一个退出码，正常退出时，退出码为0。有错误或者异常退出，退出码是大于0的整数。根据退出码可以得知进程退出的原因。

进程终结时，父进程会获得通知，进程空间随机被清空，而进程附加信息会保留在内核空间中。一个进程终结了，它会在内核中留下痕迹，删除进程对应内核信息的任务，由父进程完成。

按Linux惯例，父进程有义务对子进程使用wait系统调用。调用wait之后，父进程暂停，等待子进程终结。子进程终结后，父进程从内核中取出子进程的退出信息，并清除子进程的进程描述符pd。完成上述工作，父进程恢复运行。下面是wait程序的demo。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) //无法创建子进程
    { printf('error'); }
    else if (pid == 0) //子进程
    { //do some calculation
        sum = 0
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            sum += i;
        }
        exit(0);
    }
else //父进程
{ int status;
  printf('child PID %d...\n', pid);
  //等待子进程结束
  do {
        waitpid(pid, &status, WUNTRACED);
  } while (!WUNTRACED(status) && !WIFSIGNALED(status));
  //status是子进程的返回值
  printf('child return value %d\n', status);
}
}

如果父进程早于子进程终结，child就会和进程树失联，成为孤儿进程(orphand process)，此进程会称为init的子进程，因此init是所有孤儿进程的parent，完成wait调用。但wait系统调用只是约定俗称的责任，不是Linux强制，一个程序完全可以不对子进程调用wait，但这会导致子进程的退出信息滞留在内核中，此时子进程成为僵尸进程(zombie process)，僵尸进程累计，内核空间会被挤占，应避免发生。

Reference

1 Vamei，周昕梓著，树莓派开始玩转Linux，中国工信出版集团，电子工业出版社