本章包含內(nèi)容有：

• 創(chuàng)建新進(jìn)程
• 程序執(zhí)行（program execution）
• 進(jìn)程終止（process termination）
• 進(jìn)程的各種ID

?

每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，進(jìn)程ID（process ID）。

進(jìn)程的ID是可重用的，如果一個(gè)進(jìn)程被終止，那么它的進(jìn)程ID會(huì)被系統(tǒng)回收，但是會(huì)延遲使用，防止該進(jìn)程ID標(biāo)識(shí)的新進(jìn)程被誤認(rèn)為是以前的進(jìn)程。

三個(gè)特殊ID的進(jìn)程：

• Process ID 0：調(diào)度者進(jìn)程，內(nèi)核進(jìn)程。
• Process ID 1：init進(jìn)程，內(nèi)核引導(dǎo)程序最后啟動(dòng)，負(fù)責(zé)啟動(dòng)Unix系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)系統(tǒng)文件/sbin/init。
• Process ID 2：pagedaemon，負(fù)責(zé)虛擬內(nèi)存的頁(yè)管理。

獲取進(jìn)程各種ID的相關(guān)函數(shù)：

函數(shù)聲明：

#include <unistd.h>

pid_t getpid(void); ? ? // Returns: process ID of calling process

pid_t getppid(void); ? ? ? ?// Returns: parent process ID of calling process

uid_t getuid(void); ? ? ? ?// Returns: real user ID of calling process

uid_t geteuid(void); ? ? ? // Returns: effective user ID of calling process

gid_t getgid(void); ? ? ? ?// Returns: real group ID of calling process

gid_t getegid(void); ? ? ? ?// Returns: effective group ID of calling process

這里的各種ID在前面第三篇中有說(shuō)明，http://www.CUOXin.com/suzhou/p/4295535.html

?

fork函數(shù)用于一個(gè)已存在的進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程。

函數(shù)聲明：

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

函數(shù)細(xì)節(jié)：

1. 創(chuàng)建的新進(jìn)程叫做子進(jìn)程，子進(jìn)程是父進(jìn)程的一個(gè)拷貝，拷貝數(shù)據(jù)段，堆和棧，而共享文本段。
2. 該函數(shù)調(diào)用一次，但是返回兩次（父進(jìn)程和子進(jìn)程各返回一次，子進(jìn)程返回0，父進(jìn)程返回子進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)）。這樣設(shè)置的原因是：父進(jìn)程可以有多個(gè)子進(jìn)程，父進(jìn)程沒(méi)有方法獲取子進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)，而子進(jìn)程只可能有一個(gè)父進(jìn)程，并且可以通過(guò)getppid方法獲取父進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)。
3. 寫(xiě)時(shí)復(fù)制（copy-on-write）機(jī)制：子進(jìn)程剛創(chuàng)建，在只讀的情況下和父進(jìn)程共享數(shù)據(jù)段、堆和棧。如果子進(jìn)程或者父進(jìn)程試著修改這些數(shù)據(jù)，內(nèi)核會(huì)進(jìn)程這些數(shù)據(jù)的拷貝。
4. 我們無(wú)法判斷子進(jìn)程和父進(jìn)程的執(zhí)行順序，這取決于系統(tǒng)的調(diào)度順序。

Example：

#include "apue.h"

?

int ? ? globvar = 6;? ? ? ? /* external variable in initialized data */

char? ? buf[] = "a write to stdout/n";

?

int

main(void)

{

? ? int ? ? var;? ? ? ? /* automatic variable on the stack */

? ? pid_t ? pid;

?

? ? var = 88;

? ? if (write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf)-1) != sizeof(buf)-1)

? ? ? ? err_sys("write error");

? ? printf("before fork/n");? ? /* we don't flush stdout */

?

? ? if ((pid = fork()) < 0) {

? ? ? ? err_sys("fork error");

? ? } else if (pid == 0) {? ? ? /* child */

? ? ? ? globvar++;? ? ? ? ? ? ? /* modify variables */

? ? ? ? var++;

? ? } else {

? ? ? ? sleep(2); ? ? ? ? ? ? ? /* parent */

? ? }

?

? ? printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d/n", (long)getpid(), globvar,

? ? ? var);

? ? exit(0);

}

執(zhí)行結(jié)果：

pid為12291的進(jìn)程為子進(jìn)程，對(duì)變量glob和var進(jìn)行了加1。

當(dāng)把輸出重定向到一個(gè)文件時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果和直接輸出到終端中不太一樣：

原因：?

• 函數(shù)write不使用緩存，所以在系統(tǒng)調(diào)用fork之前調(diào)用write，結(jié)果直接輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出上；
• 而標(biāo)準(zhǔn)輸出如果連接到終端，則是行緩沖（line buffered），否則是全緩沖（full buffered）；
• 在第一個(gè)例子中，換行導(dǎo)致printf寫(xiě)入到標(biāo)準(zhǔn)輸出中的數(shù)據(jù)flush到終端上（行緩沖，換新行，導(dǎo)致前面一行被打?。?；
• 在第二個(gè)例子中，我們將標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向到文件，則使用全緩沖，printf的數(shù)據(jù)被緩存在buffer中沒(méi)有被打印，在fork時(shí)，buffer同樣被拷貝了一份，這樣父子進(jìn)程都有了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IO緩存（standard IO buffer）；
• 程序中的第二個(gè)printf將新的內(nèi)從append到buffer中已有數(shù)據(jù)的后面，一同打印出，就看到了第二個(gè)例子中打印的結(jié)果。

?

當(dāng)調(diào)用fork函數(shù)時(shí)，父進(jìn)程的所有打開(kāi)的文件描述符都會(huì)復(fù)制一份到子進(jìn)程中，包括文件偏移量（file offset）。

所以當(dāng)父子進(jìn)程同時(shí)寫(xiě)文件時(shí)，他們的操作都會(huì)更新同一個(gè)文件偏移量（file offset），加入子進(jìn)程向文件中寫(xiě)入了一部分?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)更新了file offset，那么父進(jìn)程進(jìn)行寫(xiě)入操作時(shí)，會(huì)使用跟新以后的offset，從而避免了覆蓋了子進(jìn)程寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。

父子進(jìn)程共享文件如下圖所示：

我們可以發(fā)現(xiàn)，父子進(jìn)程擁有相同的文件描述符，又沒(méi)有其他的同步方式，所以他們的輸出可能會(huì)混起來(lái)（intermixed）。

fork之后，常見(jiàn)的處理父子進(jìn)程擁有的文件描述符有兩種方式：

• 父進(jìn)程等待子進(jìn)程完成。
• 父子進(jìn)程各自工作，關(guān)閉不需要的文件描述符。

除了打開(kāi)的文件描述，其他的子進(jìn)程會(huì)繼承自父進(jìn)程的內(nèi)容包括：

父子進(jìn)程不同的地方包括：

• fork的返回值不同
• 進(jìn)程ID不同
• 進(jìn)程的父進(jìn)程ID不同
• 子進(jìn)程的tms_utime, tms_stime, itms_cutime和itms_cstime值被置為0
• 父進(jìn)程的文件鎖不會(huì)被子進(jìn)程繼承
• 子進(jìn)程的pending signals被置空

?

vfork和fork有相同的返回值。

vfork和fork的不同點(diǎn)：

• 函數(shù)目的：vfork創(chuàng)建的子進(jìn)程是為了讓子進(jìn)程執(zhí)行一個(gè)新的程序
• 復(fù)制操作：不復(fù)制父進(jìn)程的地址空間，而是直接運(yùn)行在父進(jìn)程的地址空間中，直到子進(jìn)程調(diào)用exec或者exit
• 效率：所以vfork的執(zhí)行效率比f(wàn)ork要高，因?yàn)樗鼪](méi)有copy操作
• 不確定的結(jié)果：但是如果子進(jìn)程修改了數(shù)據(jù)、調(diào)用函數(shù)或者沒(méi)有調(diào)用exec和exit方法，則會(huì)造成不確定的結(jié)果
• 子進(jìn)程先運(yùn)行：vfork保證子進(jìn)程先運(yùn)行

?Example:

#include "apue.h"

?

int ? ? globvar = 6;? ? ? ? /* external variable in initialized data */

?

int

main(void)

{

? ? int ? ? var;? ? ? ? /* automatic variable on the stack */

? ? pid_t ? pid;

?

? ? var = 88;

? ? printf("before vfork/n"); ? /* we don't flush stdio */

? ? if ((pid = vfork()) < 0) {

? ? ? ? err_sys("vfork error");

? ? } else if (pid == 0) {? ? ? /* child */

? ? ? ? globvar++;? ? ? ? ? ? ? /* modify parent's variables */

? ? ? ? var++;

? ? ? ? _exit(0); ? ? ? ? ? ? ? /* child terminates */

? ? }

?

? ? /* parent continues here */

? ? printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d/n", (long)getpid(), globvar,

? ? ? var);

?

? ? exit(0);

}

運(yùn)行結(jié)果：

?

正常退出：三個(gè)函數(shù)exit，?

如果子進(jìn)程不正常退出，則內(nèi)核保證記錄該進(jìn)程的異常退出狀態(tài)，該進(jìn)程的父進(jìn)程可以通過(guò)調(diào)用wait或者waitpid函數(shù)獲取該子進(jìn)程的異常退出狀態(tài)。

如果父進(jìn)程在子進(jìn)程之前終止，則init進(jìn)程成為該子進(jìn)程的父進(jìn)程。從而保證每個(gè)進(jìn)程都有父進(jìn)程。

如果子進(jìn)程先終止（異常終止或者正常退出），內(nèi)核會(huì)保存該子進(jìn)程的部分信息，包括進(jìn)程pid，進(jìn)程終止時(shí)的狀態(tài)和該進(jìn)程占用的CPU時(shí)間，同時(shí)內(nèi)核會(huì)清除該進(jìn)程占用的內(nèi)存，關(guān)閉所有已經(jīng)打開(kāi)的文件描述符。父進(jìn)程可以通過(guò)檢查該信息獲取子進(jìn)程的終止情況。

如果子進(jìn)程先終止，而沒(méi)有父進(jìn)程調(diào)用waitpid獲取該子進(jìn)程的信息，那么這種進(jìn)程被成為僵尸進(jìn)程。使用ps命令可以看到僵尸進(jìn)程的相關(guān)信息。

如果父進(jìn)程為init進(jìn)程，那么子進(jìn)程異常終止并不會(huì)成為僵尸進(jìn)程，因?yàn)閕nit進(jìn)程會(huì)對(duì)它的所有子進(jìn)程調(diào)用wait函數(shù)獲取子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)。

?

子進(jìn)程終止，內(nèi)核會(huì)向父進(jìn)程發(fā)送SIGCHLD信號(hào)。父進(jìn)程默認(rèn)的行為是忽略該信號(hào)，父進(jìn)程也可以設(shè)置一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)捕捉到該信號(hào)時(shí)，調(diào)用該處理函數(shù)，在后面的相關(guān)章節(jié)會(huì)介紹信號(hào)相關(guān)的概念。

本節(jié)介紹的wait和waitpid函數(shù)的作用是：

• 如果子進(jìn)程在運(yùn)行，則阻塞；
• 如果子進(jìn)程終止，并且子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)被父進(jìn)程獲取，則該函數(shù)立刻返回該終止?fàn)顟B(tài)；
• 如果該進(jìn)程沒(méi)有任何子進(jìn)程，則返回錯(cuò)誤。

需要注意的一點(diǎn)是，如果我們?cè)诮邮盏絊IGCHLD信號(hào)后，調(diào)用wait函數(shù)，則該函數(shù)會(huì)立刻返回。在其他情況下調(diào)用wait函數(shù)，則會(huì)阻塞。

函數(shù)聲明：

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *statloc);

pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);?

// Both return: process ID if OK, 0,or -1 on error

兩個(gè)函數(shù)之間的區(qū)別：

• wait函數(shù)會(huì)阻塞，一直到一個(gè)子進(jìn)程終止；waitpid函數(shù)的參數(shù)options可以指定不阻塞；
• waitpid函數(shù)可以選擇不阻塞，并且可以指定等待某一個(gè)子進(jìn)程終止。

函數(shù)細(xì)節(jié)：

• 如果一個(gè)子進(jìn)程終止并成為了僵尸進(jìn)程，wait函數(shù)立刻返回該子進(jìn)程的狀態(tài)；
• 如果一個(gè)進(jìn)程調(diào)用wait()函數(shù)并阻塞，并且有多個(gè)子進(jìn)程，則當(dāng)有一個(gè)子進(jìn)程終止時(shí)，wait()函數(shù)返回；
• 參數(shù)statloc是一個(gè)整型指針，如果該參數(shù)不為null，則子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)被保存在該參數(shù)指向的整型中；如果我們不關(guān)心進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)，statloc傳入null就行；

返回值檢查：

使用四個(gè)宏來(lái)檢查wait和waitpid函數(shù)來(lái)獲取子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)（terminated status），如退出狀態(tài)，信號(hào)值等信息。

四個(gè)宏的具體說(shuō)明見(jiàn)下表所示：

pid的取值對(duì)waitpid函數(shù)行為的影響：

• pid == -1：行為和wait相同，等待任意一個(gè)子進(jìn)程終止
• pid > 0：等待進(jìn)程號(hào)為pid的進(jìn)程終止
• pid ==0：等待進(jìn)程組號(hào)和調(diào)用進(jìn)程的進(jìn)程組號(hào)相同的任意一個(gè)子進(jìn)程終止
• pid < -1：等待進(jìn)程組號(hào)等于pid的任意一個(gè)子進(jìn)程終止

參數(shù)option的取值：

waitpid函數(shù)提供了三個(gè)wait沒(méi)有的特性：

• waitpid可以讓我們等待某一個(gè)特定的進(jìn)程；
• waitpid提供了不阻塞版本的wait函數(shù)；
• option參數(shù)WCONTINUED和WUNTRACED為系統(tǒng)的任務(wù)控制（job control）提供了支持。

?

#include "apue.h"

#include <sys/wait.h>

?

int

main(void)

{

? ? pid_t ? pid;

?

? ? if ((pid = fork()) < 0) {

? ? ? ? err_sys("fork error");

? ? } else if (pid == 0) {? ? ? /* first child */

? ? ? ? if ((pid = fork()) < 0)

? ? ? ? ? ? err_sys("fork error");

? ? ? ? else if (pid > 0)

? ? ? ? {

? ? ? ? ? ? exit(0);? ? /* parent from second fork == first child */

? ? ? ? }

?

? ? ? ? /*

?? ? ? ? * We're the second child; our parent becomes init as soon

?? ? ? ? * as our real parent calls exit() in the statement above.

?? ? ? ? * Here's where we'd continue executing, knowing that when

?? ? ? ? * we're done, init will reap our status.

? ? ? ? ?*/

? ? ? ? sleep(2);

? ? ? ? printf("second child, parent pid = %ld/n", (long)getppid());

? ? ? ? exit(0);

? ? }

?

? ? if (waitpid(pid, NULL, 0) != pid) ? /* wait for first child */

? ? ? ? err_sys("waitpid error");

?

? ? /*

?? ? * We're the parent (the original process); we continue executing,

?? ? * knowing that we're not the parent of the second child.

?? ? */

? ? exit(0);

}

執(zhí)行結(jié)果：

結(jié)果分析：

在這里我們fork了兩次，原因是，當(dāng)我們想fork一個(gè)子進(jìn)程出來(lái)，而我們不希望父進(jìn)程阻塞在wait函數(shù)，并且不希望由于父進(jìn)程沒(méi)有調(diào)用wait函數(shù)先退出導(dǎo)致子進(jìn)程成為僵尸進(jìn)程，那么fork兩次，并且退出第一個(gè)子進(jìn)程，可以使得父進(jìn)程及時(shí)退出，并且第二個(gè)子進(jìn)程的父進(jìn)程變成init進(jìn)程。

?

本篇主要介紹了fork、vfork、僵尸進(jìn)程、wait和waitpid函數(shù)，這些在unix環(huán)境中都是很重要的概念和函數(shù)，并且在面試中也經(jīng)常問(wèn)到。

下一篇的內(nèi)容包括：

• 解釋器文件（interpreter files）
• 系統(tǒng)調(diào)用（system function）

?

參考資料：

《Advanced Programming in the UNIX Envinronment 3rd》

?