《APUE》 – Chapter8 进程控制

8.1 概述

本章在上一章(进程环境)的基础上，进一步介绍了UNIX系统的进程知识，包括创建进程、执行进程和终止进程，以及进程的各种属性和机制。

注:本章内容较多，作为笔记，我已经尽量限制了文章的篇幅，很多只是提了一下关键的概念性内容，更详细的实现可以参考原书。

8.2 进程标识

每一个进程都有一个非负整数作为其ID，该ID标识一个唯一进程，不同的进程不会拥有相同的进程ID(即使使用下文提到的fork函数创建新进程，新进程和父进程共享完全相同的内存，它们的进程ID也不同)。一个已经终止的进程，其ID会被操作系统回收，以便在未来的某个时刻分配给新创建的进程。

系统内有一些特殊进程，比如ID为0的进程是调度进程，常被称为交换进程(swapper),该进程是内核的一部分，是系统进程(system process)。ID为1的init进程，该进程负责在自举内核后启动一个UNIX系统。init进程绝不会终止，但init进程是一个普通的用户进程(user process),它以超级用户特权运行，通常init进程会作为其他孤儿进程(orphaned child process)的父进程。

以下函数可以获得进程ID

#include <unistd.h>

// 返回当前进程的进程ID
pid_t getpid(void);

// 返回当前进程的父进程ID
pid_t getppid(void);

8.3 创建进程

一个现有的进程可以调用fork函数来创建一个新进程

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

fork函数返回两次，一次是父进程内返回，一次是在子进程内返回。父进程内的fork函数返回子进程的进程ID，而子进程内的fork函数返回0，所以我们可以通过判断fork函数来区别当前进程是父进程还是新创建的子进程。

int main(void) {
    if (fork() == 0) {
        // child process
        printf("child processn");
        return 0;
    }
    // parrent process
    printf("parent processn");
    return 0;
}

这里忽略了fork函数的返回值,仅仅做了判断，并且没有进行错误处理,该实例仅为了让读者明白如何通过fork函数的返回值来判断父子进程。

子进程和父进程”共享“相同的数据段、堆和栈，之所以加引号是因为这里的 “共享”并不是真正意义上的共享，调用fork函数后，子进程实际上获得父进程资源的拷贝，也就是说此时子进程和父进程的内容是完全一样的，但为了节省内存空间和减少复制资源所带来的开销，操作系统使用了写时拷贝(Copy-On-Write，COW)技术，这些进程资源由父进程和子进程共享，并且访问权限为只读(read only),当父进程和子进程中任意一方试图修改这些区域时，内核只为修改区域的那块内存制作一个副本(通常就是我们在操作系统概念里提到的内存页)，这样就降低了将整个内存数据进行拷贝的巨额开销。

值得一提的是，父进程和子进程共享打开的文件描述符和相同的文件偏移量(因为底层指向相同的文件表)，更多细节可以查看【第三章 标准I/O】的文件共享章节。

8.4 终止进程

在进程环境一章中我们提到过，使进程终止有很多种方法，其中return和exit是等价操作，它们调用终止处理程序(使用atexit函数注册)，关闭标准I/O流等操作。而_exit和_Exit则直接进入内核态，不冲洗(flush)标准I/O。

进程的终止又分为正常终止(normal termination) 和 异常终止(abnormal termination)。

其中，在main函数内调用return、调用exit、_exit或_Exit属于正常终止。而调用abort或收到某些信号(signal)属于异常终止。不管进程如何终止，最后都会执行内核中的同一段代码，这段代码关闭进程打开的所有文件描述符，释放它所使用的存储器等(所以不会出现已经终止的进程依然占用某个文件的情况)。

不管哪一种终止情况，父进程都能够知晓子进程是如何终止的。

对于三个终止函数(exit、_exit和_Exit)，实现这一点的方法是，将其退出状态(exit status)作为参数传送给函数。在异常终止情况下，内核(不是进程本身)产生一个指示其异常终止原因的中止状态(termination status)。在任意一种情况下，该终止进程的父进程都能够用wait或waitpid函数取得其终止状态。

注意，这里使用了“退出状态”和“终止状态”两个术语，以表示有所区别。

如果子进程完全消失了，父进程是无法获取它的终止状态的。内核为每个终止子进程保存了一定量的信息，当终止进程的父进程调用wait或waitpid时，可以得到这些信息，此时改进程才算是真正意义上的“消失”。

一个已经终止，但是父进程尚未对其进行善后处理(没有获取子进程的终止信息，释放它仍然占用的资源)的进程被称为僵尸进程(zombie)。

如果父进程在子进程之前终止，则该进程的所有子进程的父进程都改变为init进程，我们称这些进程由init进程收养。在这些进程结束时，init进程会调用wait函数来获取其终止状态，避免其成为僵尸进程。

8.4.2 wait和waitpid函数

当一个进程终止时，内核向它的父进程发送SIGCHLD信号(该信号是异步的)，当收到该信号时，父进程可以选择忽略或者调用wait、waitpid函数来获得其终止状态。

#include <sys/wait.h>
// 两个函数若成功返回进程id，失败返回0
pid_t wait(int *statloc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);

在调用wait和waitpid时：

• 若所有子进程都还在运行则阻塞
• 若一个子进程终止，其终止状态还没有被获取，则返回该进程的终止状态
• 如果没有任何子进程，则立刻出错返回

waitpid和wait相比，提供了更加多的选择(如等待指定进程，不阻塞等)，这里就不一一介绍了，有兴趣可以去看原书【第八章 进程控制】的8.6节，此外还有waitid,wait3,wait4等函数，他们的作用都是相同的，只不过提供了不同的选项和粒度。

8.5 竞争条件

当多个进程都企图对共享数据进行处理，而运行结果又取决于进程的运行顺序时，就发生了竞争条件(race condition),比如父子进程同时向标准输出打印Hello, world，而我们事先又将标准输出设为了无缓冲(unbuffered),则可能会出现下面的情况：

# 示例8.5-1
butn-linux> ./a.out 
HHello,world
ello,world

butn-linux> ./a.out 
Hello,world
Hello,world

输出的结果是不确定的，因为父子进程之间没有同步机制(比如锁等)，这种情况在别的编程语言中也会出现，和语言无关。所以在处理共享资源时，一定要注意进程或线程间的同步。

8.6 exec函数

exec用来执行一个新的程序，拿示例8.5-1的shell举例，我们在shell中输入a.out这个程序并回车执行时,shell会先fork出一个进程，然后在该进程上调用exec函数来执行a.out这个程序。

exec并不创建新进程，exec只是用磁盘上的一个新程序替换了当前进程的正文段、数据段、堆和栈。

exec函数有7种，它们分别提供了不同的参数以提供不同的执行方式。

毕竟本文只是笔记性质的文章，为防止篇幅过长，详细可参考原书【第八章 进程控制】8.10节。

8.7 解释器文件

所有的UNIX系统都支持解释器文件(interpreter file),这种文件的起始行形式是#! pathname [optional-argument],最常见的就是#! /bin/sh,内核调用解释器文件第一行所指定的程序来解释执行该解释器文件，而不是直接执行该解释器文件，比如这里的#! /bin/sh就是告诉操作系统，调用/bin目录下的sh来执行这个文件。

请注意将解释器文件(文本文件)和解释器(由解释器文件第一行所指定)区分开。

8.8 system函数

使用system来执行一个命令字符串很方便，假如我们要将时间和日期放到某一个文件中，可以使用system("date > file")来实现这一操作。

system函数内部实现会调用fork、exec、和waitpid，因此有三种返回值。使用system而不是直接使用fork和exec的优点是：system进行了所需的各种出错处理以及各种信号处理。

8.9 进程会计

大多数UNIX系统提供了一个选项以进行进程会计(process accounting)处理。启用该选项后，每当进程结束时，内核就会写一个会计记录，一般包括命令名，所使用的的CPU时间总量，用户ID和组ID、启动时间等。

会计记录结构定义在头文件<sys/acct.h>中，各种系统的实现各不相同。

8.10 进程调度

调度策略和调度优先级是由内核确定的，我们可以通过调整nice值来更改进程的优先级。nice值越低，优先级越低。

进程可以通过nice函数获取或者更改它的nice值，进程只能影响自己的nice值，不能影响其他任何进程的nice值。

#include <unistd.h>

// 成功返回新的nice值，失败返回-1
int nice(int incr);

除此之外，还有getpriority(),setpriority()等函数来获取和设置进程优先，它们提供不同的参数列表，以提供不同选项和粒度的控制。

8.11 进程时间

任何进程都可以使用times函数来获取自己以及已终止子进程的墙上时钟时间(wall clock time),用户CPU时间和系统CPU时间。

#include <sys/times.h>
// 成功返回流逝的墙上时钟时间(以时钟滴答数为单位)，出错返回-1
clock_t times(struct tms *buf);

8.12 总结

其实本章需要熟练掌握的只有几个函数——fork、exec系列、_exit、wait和waitpid，这几个简单的函数在UNIX的进程控制中起到了至关重要的作用。