Unix/Linux编程：程序与进程

妖狐艹你老母 2022-10-14 10:48 140阅读 0赞

# 进程 #

**进程是程序的一个具体实现**。只有食谱没什么用，我们总要按照食谱的指点真正一步步实行，才能做出菜肴。进程是执行程序的过程，类似于按照食谱，真正去做菜的过程。同一个程序可以执行多次，每次都可以在内存中开辟独立的空间来装载，从而产生多个进程。不同的进程还可以拥有各自独立的IO接口。

操作系统的一个重要功能就是为进程提供方便，比如说为进程分配内存空间，管理进程的相关信息等等，就好像是为我们准备好了一个精美的厨房。

**进程是由内核定义的抽象的实体，并为该实体分配用以执行程序的各项系统资源**。

从内核角度来看，进程由用户内存空间以及一系列内核数据结构组成：

*  用户内存空间包含了程序代码以及代码所用到的变量
 *  内核数据结构用于维护进行状态信息。记录在内核数据结构中的信息包括许多与进程相关的标识号（IDs）、虚拟内存表、打开文件的描述符表、信号传递及处理的有关信息、进程资源使用及限制、当前工作目录和大量的其他信息

执行程序时，内核会将程序代码载入虚拟内存，为程序变量分配空间，建立内核记账(bookkeeping)数据结构，以记录与进程有个的各种信息（比如，进程 ID、用户 ID、组 ID 以及终止状态等）。

*  在内核看来，进程是一个实体，内核必须在它们之间共享各种计算机资源。
    
     *  对于像内存这样的受限资源来说，内核一开始会为进程分配一定数量的资源，并且在进程的生命周期内，统筹该进程和整个系统对资源的需求，对这一分配进程调整
     *  程序终止时，内核会释放所有此类资源，供其他进程中心使用
     *  其他资源(比如CPU、网络带宽等)都属于可再生资源，但必须在所有进程间平等共享

进程就是正在执行的程序实例。我们可以使用 p s 命 令 来 查 询 正 在 运 行 的 进 程 ， 比 如 ‘ ps命令来查询正在运行的进程，比如\` ps命令来查询正在运行的进程，比如‘ps -eo pid,comm,cmd\`:

(-e表示列出全部进程，-o pid,comm,cmd表示我们需要PID，COMMAND，CMD信息)

$ ps -eo pid,comm,cmd
       PID COMMAND         CMD
         1 systemd         /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 
         2 kthreadd        [kthreadd]
         4 kworker/0:0H    [kworker/0:0H]
         6 ksoftirqd/0     [ksoftirqd/0]
         7 migration/0     [migration/0]

每一行代表了一个进程。每一行又分为三列。第一列PID(process IDentity)是一个整数，每一个进程都有一个唯一的PID来代表自己的**身份**。第二列COMMAND是这个进程的简称。第三列CMD是进程所对应的程序以及运行时所带的参数。

(第三列有一些由中括号\[\]括起来的。它们是内核的一部分功能，被打扮成进程的样子以方便操作系统管理。我们不必考虑它们。)

## 进程的地址空间 ##

*  进程本质上是一个正在执行的程序。与每个进程相关的是进程的**地址空间(也叫做core image)**，**这是从某个最小值的存储位置(通常是)到某个最大值存储位置的列表。在这个地址空间中，进程可以进行读写**。
 *  该地址空间中存放有可执行程序、程序的数据以及程序的堆栈。与每个进程相关的还有资源集，通常包括寄存器(含有程序计数器和堆栈指针)、打开文件的清单、突出的报警、有关进程清单，以及运行该程序所需要的所有其他信息

## 进程表 ##

*  一个进程暂时被挂起之后，在随后的某个时间里，该进程再次启动时的状态必须与先前暂停时完全相同，这就意味着在挂起时该进程的所有信息都要保存下来，这样在进程重新启动之后，所执行的读调用才能读到正确的数据。
 *  **在很多操作系统中，与一个进程有关的所有信息，除了该进程自身地址空间的内容以外，存放在操作系统中的一张表中，称为进程表**。
 *  进程表是数组或链表结构，当前存在的每个进程都要占用其中一项。
 *  所以，一个（挂起的）进程包括：进程的地址空间以及对应的进程表项

## alarm signal ##

*  有时，需要向一个正在运行的进程传送信息，而该进程并没有等待接收信息。比如，一个进程通过网络向另一台机器上的进程发送信息进程通信。为了保证一条消息或者消息的应答不会丢失，发送者要求它所在的操作系统在指定的n秒之后给一个通知，这样如果对方尚未收到确认消息就可以进行重发。在设定该定时器之后，程序就可以做其他工作
 *  在指定秒数流逝之后，操作系统向该进程发送一个alarm gignal。此信号引起该进程暂时挂起，无论该进程正在做什么，系统将其寄存器的值保存到堆栈，并开始运行一个特别的信号处理过程，比如重发可能丢失的消息。这些信号是软件模拟的硬件中断，除了定时器到期之后，该信号可以由各种原因产生。很多由硬件进程出来的陷阱，比如执行了非法指令或者使用了无效地址等，也别转换成信号并交给这个进程

--------------------

## 过滤器 ##

从stdin读取输入，加以转换，再将转换后的数据输出到stdout，常常将拥有上诉行为的程序称为过滤器，比如cat、grep、tr、sort、wc、sed、awk等

[C/C++编程：命令行参数解析][C_C]

## 创建进程和执行程序 ##

*  进程可使用系统调用fork()来创建一个新创建。调用fork()的进程被称为父进程，新创建的进程被称为子进程。内核通过对父进程的复制来创建子进程。子进程从父进程处创建数据段、栈段以及堆段的副本后，可以修改这些内容，不会影响父进程的“原版”内容。(在内存中被标记为只读的程序文本段则由父子进程共享)
 *  然后，子进程要么去执行与父进程共享代码段中的另一组不同函数，或者，使用系统调用execve()去加载病执行一个全新程序(更常见)。execve()会销毁现有的文本段、数据段、栈段以及堆段，并根据新程序的代码，创建新段来共享他们。
 *  以execve()为基础。C语言库还提供了几个相关函数，接口虽然不同，但功能全部相同。所有库函数的名称均以"exec"开头

## 进程ID ##

*  每一个进程都有一个唯一的整数型进程标识符PID
 *  每一个进程都有一个父进程标识符PPID属性，用以标识请求内核创建自己的进程
 *  系统管理器授权每个进程使用一个给定的UID。每个被启动的进程都有一个启动该进程的用户UID。子进程和父进程拥有一样的UID。没有可以是某个组的成员，每个组也有一个GID标识

## 进程终止和终止状态 ##

可以使用下面两种方法之一来终止一个进程：

*  进程可以使用\_exit()系统调用(或者相关的exit()库函数)，请求退出。
 *  向进程传递信号，将其“杀死”。

无论以何种方式退出，进程都会生成“**终止状态**”，一个非负小整数，可供父进程的wait()系统调用检测。

*  在调用\_exit()的情况下，进程会指明自己的终止状态。
 *  若由信号来“杀死”进程，则会根据导致进程“死亡”的信号类型来设置进程的终止状态。

根据惯例，终止状态为 0 表示进程“功成身退”，非 0 则表示有错误发生。大多数 shell 会将前一执行程序的终止状态保存于 shell 变量$?中

## 进程的用户和组标识符 ##

每个进程都有一组与之相关的用户ID(UID)和组ID(GID)，如下所示

*  真实用户ID和组ID：用了标识进程所属的用户和组。新进程从其父进程处继承这些ID。登录shell则会从系统密码文件的相应字符中获取其真实用户ID和组ID
 *  有效用户ID和组ID：进程在访问受保护资源(比如文件和进程间通信对象)时，会使用这两个ID(结合补充组ID)来确定访问权限。一般情况下，进程的有效ID和相应的真实ID值相同。改变进程的有效ID实为一种机制，可使进程具有其他用户或组的权限
 *  补充组ID：用来标识进程所属的额外组。新进程从其父进程处继承补充组ID。登录shell则从系统组文件中获取其补充取ID

## 特权进程 ##

*  特权进程是指有效用户ID为0(超级用户)的进程。通常由内核所施加的权限限制对此进程无效
 *  非特权进程是指有效用户ID不为0(其他用户)的进程。必须遵守由内核所强加的权限规则

如何创建特权进程，有两种方法

*  由root用户创建的进程
 *  利用`set-user-ID`机制。该机制允许某进程的有效用户ID等同于该进程所执行程序文件的用户ID

## 能力 ##

从内核2.2开始，Linux把传统上赋予超级用户的权限划分为一组相互独立的单元(称之为“能力”)。

*  每次特权操作都与特定的能力有关，仅当进程具有特定能力时，才能执行相应操作。
 *  赋予某进程部分能力，使得其既能执行某些特权级能力，又能防止其执行其他特权级能力
 *  能力的命名以CAP\_为前缀，比如CAP\_KILL

超级用户进程(有效用户ID为0)开启了所有能力

## init进程 ##

*  系统引导时，内核会创建一个名为init的特殊进程，即"所有进程之父"，该进程的相应程序文件为`/sbin/init`。
 *  系统的所有进程不是有init(使用fork())“亲自”创建的，就是由其后代进程创建
 *  init进程的进程号总是1，而且总是以超级用户权限运行。谁(哪怕是超级用户)都不能"杀死"init进程，只有关闭系统才能终止进程。
 *  init的主要任务是超级病监控系统运行所需的一系列进程。手册页init(8)中包含了init进程的详细信息

## 守护进程 ##

守护进程指的是具有特殊用户的进程，系统超级和处理此类进程的方式与其他进程相同。但以下特征是其所独有的

*  “长生不老”。守护进程通常在系统引导时启动，直到进程关闭前，会一直“健在”
 *  守护进程在后台运行，而且无控制终端供其读取或者写入数据

守护进程中的例子有 syslogd（在系统日志中记录消息）和 httpd（利用 HTTP 分发 Web 页面）。

## 环境列表 ##

每个进程都有一份环境列表，即在进程用户空间内存中维护的一组环境变量。这份列表的每一个元素都由一个名称及其相关值组成

*  由fork()创建的新进程，会继承父进程的环境副本。这也为父子进程间通信提供了一组机制。
 *  当进程调用exec族函数替换当前正在运行的程序时，新进程要么继承老程序的环境，要么在exec族函数调用的参数中指定新环境并加以接收

在绝大多数shell 中，可使用export 命令来创建环境变量（C shell 使用setenv 命令），如下所示

export MYVAP = "Hleoo world"

C 语言程序可使用外部变量（char \*\*environ）来访问环境，而库函数也允许进程去获取或修改自己环境中的值

## 资源限制 ##

每个进程都会消耗比如打开文件、内存以及CPU时间之类的资源。使用系统调用setrlimit()，进程可以为自己消耗的各类资源设定一个上限。此类资源限制的每一项都有两个相关值

*  软限制（soft limit）限制了进程可以消耗的资源总量
 *  硬限制（hard limit）软限制的调整上限。

非特权进程在针对特定资源调整软限制值时，可将其设置为 0 到相应硬限制值之间的任意值，但硬限制值则只能调低，不能调高

由fork()创建的新进程，会继承其父进程对资源限制的设置

使用 ulimit 命令（在 C shell 中为 limit）可调整 shell 的资源限制。shell 为执行命令所创建的子进程会继承上述资源设置。

# 程序 #

计算机实际上可以做的事情实质上非常简单，比如计算两个数的和，再比如在内存中寻找到某个地址等等。这些最基础的计算机动作被称为指令 (instruction)。所谓的程序(program)，就是这样一系列指令的所构成的集合。通过程序，我们可以让计算机完成复杂的操作。程序大多数时候被存储为可执行的文件。这样一个可执行文件就像是一个菜谱，计算机可以按照菜谱作出可口的饭菜。

*  程序通常以两种面目示人。
    
     *  其一为源码形式写成的一系列语句组成，是人类可以阅读的文件文件。
     *  要想执行程序，则需要将源码转换为第二种形式----计算机可以理解的二进制语言指令(这与脚本形成了鲜明对照，脚本是包含命令的文本文件，可以由shell或者其他命令解释器之类的程序直接处理)
 *  一般认为，术语”程序“的上诉两种含义近乎相同，因为经过编译和链接处理，会将源码转换为语义相同的二进制机器码

程序是包含了一系列信息的文件，这些信息描述了如何在运行时创建一个进程，所包括的内容如下所示

*  二进制格式标志：每个程序文件都包含用于描述可执行文件的元信息。内核(kernel)利用此信息来解释文件中的其他信息。历史上，Unix可执行文件曾有两种广泛使用的格式，分别为最初的 a.out（汇编程序输出）和更加复杂的 COFF（通用对象文件格式）。现在，大多数 UNIX 实现（包括 Linux）采用可执行  
    连接格式（ELF），这一文件格式比老版本格式具有更多优点
 *  机器语言指令：对程序算法进行编码
 *  程序入口地址：标识程序开始执行时的起使指令位置
 *  数据：程序文件包含的变量初始值和程序使用的字面常量值
 *  符号表和重定位表：描述程序中函数和变量的位置以及名称。这些表格有多种用途，其中包括调试和运行时的符号解析（动态链接）
 *  共享库和动态链接信息：程序文件所包含的一些字段，列出了程序运行时需要使用的共享库，以及加载共享库的动态链接器的路径名。
 *  其他信息：程序文件还包含许多其他信息，用以描述如何创建进程。

[C_C]: https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/109022694