UNIX环境高级编程学习笔记-进程

1. 什么是进程

…

在提出这个问题的时候，我想了一下，大概就是内核执行的一个程序（错误回答）吧。但是这么说，连我自己下次看都不明白在说什么。于是我查了一下，它代表着CPU所能处理的单个任务，及运行实例。

在面向进程设计的系统（如早期 UNIX，Linux 2.4及更早版本中），进程是程序的基本执行实体；

在面向线程设计的系统（当代多数操作系统、Linux 2.6及更新版本中），进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器

先看一个简单的例子。

一个 C 程序的启动终止过程

下图演示的是一个最为普遍的一个C程序的启动过程，main 函数调用用户函数，返回值后退出。

1. 内核使程序执行的唯一方法是调用一个 exec 函数
2. 启动例程从内核获取 命令行参数 和 环境变量值，为调用 main 函数做好准备
3. 调用返回
4. 调用 exit 函数或者执行 return 语句
5. exit 函数调用 终止处理程序 后，再调用 _exit 或者 _Exit 立即进入内核

C 程序的存储空间布局

• 正文：该部分为 CPU 执行的机器指令部分。只读
• 初始化数据（数据段）：需初始化的变量，即任何函数之外的声明
• 未初始化数据（bss段）：
• 堆：自动变量和函数调用时保存的信息
• 栈：动态存储分配

2. 进程控制

进程控制原语：创建新进程、执行程序、进程终止

进程标识：每个进程都有一个非负整数表示的唯一进程 ID，可复用（延迟复用算法）

创建新进程

一个现有的进程可以调用函数 fork 创建新进程。

例如

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

int globvar = 6;

int
main(void)
{
    int var;
    pid_t pid;

    var = 88;
    if (pid = fork() < 0) {
        perror("fork failed!\n");
    } else if (pid == 0) {
        /* 子进程 */
        globvar++;
        var++;
    } else {
        /* 父进程 */
        sleep(2);
    }

    printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n",
           (long)getpid(), globvar, var);
    exit(0);
}

这个程序创建一个进程，在子进程里对变量加 1，父进程睡眠 2s，主动进入阻塞。启动终止流程如下

3. main 函数这次调用的是 fork 函数
4. fork 函数复制了数据段、堆、栈，但是父子进程共享正文段

但是事实上很多实现并不执行一个父进程数据段、堆、栈的完全副本。使用写时复制（Copy-On-Write，COW）技术，即父子进程共享数据段、堆、栈（只读），如果父子进程中的任一个试图修改这些区域，内核只为修改区域的那块内存制作一个副本。

父进程阻塞

fork 之后，父子进程各自执行程序，wait 可以使父进程阻塞等待子进程先执行。

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

/*
 * pid == -1 等待任一子进程
 * pid > 0   等待进程 id 于 pid 相等的子进程
 * pid == 0  等待组 id 等于调用进程组 id 的任一子进程
 * pid < -1  等待组 id 等于 pid 绝对值的任一子进程
 */
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);

当调用 wait 之后

• 如果所有子进程都在运行，则父进程阻塞
• 如果一个子进程终止，则取得该子进程的终止状态立即返回
• 如果没有任何子进程，则立即出错返回

执行程序

当进程调用 exec 程序族，该进程执行的程序完全替换为新的程序（继承？）。

终止程序

exit

**函数 system **

system 在其实现中调用了 fork、exec、waitpid，用于总结进程原语的使用。

system 函数用于在程序中执行一个命令。

1. system 创建一个子进程
2. 在子进程中执行输入的命令行程序
3. 在父进程中等待程序执行完毕

8-13-system.c 文件：

#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

int
system(const char *cmdstring)
{
    pid_t pid;
    int status;

    if (cmdstring == NULL) {
        return (1);
    }

    if ((pid = fork()) < 0) {
        status = -1;
    } else if (pid == 0) {
        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *)0);
        _exit(127);
    } else {
        while (waitpid(pid, &status, 0) < 0) {
            if (errno != EINTR) {
                status = -1;
                break;
            }
        }
    }
    
    return (status);
}

8-13-system-test.c 测试文件：

#include "apue.h"
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int status;

    if ((status = system("date")) < 0) {
        err_sys("system() error");
    }
    pr_exit(status);

    if ((status = system("nosuchcommand")) < 0) {
        err_sys("system() error");
    }
    pr_exit(status);

    if ((status = system("who; exit 44")) < 0) {
        err_sys("system() error");
    }
    pr_exit(status);
    return 0;
}

编译：

> gcc 8-13-system.c 8-13-system-test.c -g -O2 -o system.out -lapue

执行：

> ~/test$ ./system.out 
2020年 04月 15日 星期三 00:31:57 CST
normal termination, exit status = 0
sh: 1: nosuchcommand: not found
normal termination, exit status = 127
renz     :0           2020-04-15 05:52 (:0)
normal termination, exit status = 44