Unix/Linux编程：进程总结

秒速五厘米 2022-10-16 12:25 195阅读 0赞

# 进程&子进程 #

## 什么是进程 ##

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。

那么，程序和进程(process)的区别又是什么呢?

**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。

首先，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\`，下图为执行结果:

(-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。)

## 进程的优先级 ##

由于进程是独立执行的，因此它们执行的速度有快慢。特定情况下，进程有时会因为执行某些操作被“阻塞”或者“挂起”。为了避免正在等待的进程占用CPU，操作系统会阻塞该进程而运行其他进行继续执行。当等待的事情来了，就将进程“恢复”执行。

有句话叫做“所有的进程并发执行”，但这种说法过于简单化。实际上，程序员会给每个进程分配一个“优先级”。操作系统给各个进程分配CPU使用权时参照各进程的优先级。其分配策略为：CPU对没有阻塞的进程赋予最高优先级。如果多个进程具有同样的优先级，那么CPU将在这几个进程之间快速切换。

## 进程的时间 ##

进程涉及两种类型的时间

*  **真实时间**：指的是在进程的生命期内（所经历的时间或时钟时间），以某个标准时间点（日历时间）或固定时间点（通常是进程的启动时间）为起点测量得出的时间。在UNIX 系统上，日历时间是以国际协调时间（简称 UTC）1970 年 1 月 1 日凌晨为起始点，按秒测量得出的时间，再进行时区调整（定义时区的基准点为穿过英格兰格林威治的经线）2。这一日期与 UNIX 系统的生日很接近，也被称为纪元（Epoch）。
 *  **进程时间**：也叫做CPU时间，指的是进程自启动以来，所占用的CPU时间总量。可进一步将CPU时间划分为系统CPU时间和用户CPU时间。前者是指在内核模式中，执行代码所花费的时间（比如，执行系统调用，或代表进程执行其他的内核服务）。后者是指在用户模式中，执行代码所花费的时间（比如，执行常规的程序代码）

time 命令会显示出真实时间、系统 CPU 时间，以及为执行管道中的多个进程而花费的用户 CPU 时间

## 如何创建一个进程 ##

实际上，当计算机开机的时候，内核(kernel)只建立了一个systemd进程。Linux内核并不提供直接建立新进程的系统调用。剩下的所有进程都是init进程通过fork机制建立的。新的进程要通过老的进程复制自身得到，这就是fork。fork是一个系统调用。进程存活于内存中。每个进程都在内存中分配有属于自己的一片空间 (address space)。当进程fork的时候，Linux在内存中开辟出一片新的内存空间给新的进程，并将老的进程空间中的内容复制到新的空间中，此后两个进程同时运行。

老进程成为新进程的父进程(parent process)，而相应的，新进程就是老的进程的子进程(child process)。一个进程除了有一个PID之外，还会有一个PPID(parent PID)来存储的父进程PID。如果我们循着PPID不断向上追溯的话，总会发现其源头是systemd进程。所以说，所有的进程也构成一个以systemd为根的树状结构。

如下，我们查询当前shell下的进程：

$  ps -o pid,ppid,cmd
       PID   PPID CMD
      9574   9566 bash
     10168   9574 ps -o pid,ppid,cmd

还可以用$pstree命令来显示整个进程树：

$ pstree
    systemd─┬─ModemManager───2*[{
        ModemManager}]
            ├─NetworkManager───2*[{
        NetworkManager}]
            ├─VGAuthService
            ├─2*[abrt-watch-log]
            ├─abrtd
            ├─accounts-daemon───2*[{
        accounts-daemon}]
            ├─alsactl
            ├─at-spi-bus-laun─┬─dbus-daemon───{
        dbus-daemon}
            │                 └─3*[{
        at-spi-bus-laun}]
            ├─at-spi2-registr───2*[{
        at-spi2-registr}]
            ├─atd
            ├─auditd─┬─audispd─┬─sedispatch
            │        │         └─{
        audispd}
            │        └─{
        auditd}
            ├─avahi-daemon───avahi-daemon

fork通常作为一个函数被调用。这个函数会有**两次返回**，将子进程的PID返回给父进程，0返回给子进程。实际上，子进程总可以查询自己的PPID来知道自己的父进程是谁，这样，一对父进程和子进程就可以随时查询对方。

通常在调用fork函数之后，程序会设计一个if选择结构。

*  当PID等于0时，说明该进程为子进程，那么让它执行某些指令,比如说使用exec库函数(library function)读取另一个程序文件，并在当前的进程空间执行 (这实际上是我们使用fork的一大目的: 为某一程序创建进程)；
 *  而当PID为一个正整数时，说明为父进程，则执行另外一些指令。

由此，就可以在子进程建立之后，让它执行与父进程不同的功能。

## 子进程的终结(termination) ##

当子进程终结时，它会通知父进程，并清空自己所占据的内存，并在内核里留下自己的退出信息(exit code，如果顺利运行，为0；如果有错误或异常状况，为>0的整数)。在这个信息里，会解释该进程为什么退出。父进程在得知子进程终结时，有责任对该子进程使用wait系统调用。这个wait函数能从内核中取出子进程的退出信息，并清空该信息在内核中所占据的空间。但是，如果父进程早于子进程终结，子进程就会成为一个孤儿(orphand)进程。孤儿进程会被过继给init进程，init进程也就成了该进程的父进程。init进程负责该子进程终结时调用wait函数。

当然，一个糟糕的程序也完全可能造成子进程的退出信息滞留在内核中的状况（父进程不对子进程调用wait函数），这样的情况下，子进程成为僵尸（zombie）进程。当大量僵尸进程积累时，**内存空间会被挤占**。

> 尽管在UNIX中，进程与线程是有联系但不同的两个东西，但在Linux中，线程只是一种特殊的进程。多个线程之间可以共享内存空间和IO接口。所以，进程是Linux程序的唯一的实现方式。

总结：  
**在`fork()/execve()`过程中，假设子进程结束时父进程仍存在，而父进程`fork()`之前既没安装`SIGCHLD`信号处理函数调用`waitpid()`等待子进程结束，又没有显式忽略该信号，则子进程成为僵死进程，无法正常结束，此时即使是`root`身份`kill -9`也不能杀死僵死进程。补救办法是杀死僵尸进程的父进程(僵死进程的父进程必然存在)，僵死进程成为”孤儿进程”，过继给1号进程init，init始终会负责清理僵死进程。**

# 总结 #

进程的创建：

*  系统调用fork()通过复制一个与调用进程(父进程)几乎完全一样的拷贝来创建一个新进程(子进程)。系统调用vfork()是一种更为高效的fork()版本，不过因为其语义独特----vfork()产生的子进程将使用父进程内存，直到其调用exec()或者退出；与此同时，将会挂起(suspended)父进程，所以应该尽量避免使用
 *  调用fork()之后，不应对父、子进程获得调度以使用CPU的先后顺序有所依赖。对执行顺序做出假设的程序易于产生所谓"竞争条件"错误。由于此类错误的产生依赖于诸如系统负载之类的外部因素，故而其发现和调试将非常困难
 *  如同fork()，Linux特有的clone()系统调用也会创建一个新进程，但其对父子间的共享属性有更为精确的控制。该系统调用主要用于线程库的实现
 *  fork()创建的子进程会从其父进程处继承(有时是共享)某些进程属性的副本，而对其他进程属性则不作继承。比如，子进程继承了父进程文件描述符和信号处置的副本，但并不进程父进程的间隔定时器、记录锁或者是挂起信号集合。相应地，进程执行 exec()时，某些进程属性保持不变，而会将其他属性重置为缺省值。例如，进程 ID 保持不变，文件描述符保持打开（除非设置了执行时关闭标志），间隔定时器得以保存，挂起信号依然挂起，不过会将对已处理信号的处置重置为默认设置，同时与共享内存段“脱钩”

进程的终止：

*  进程的终止分为正常和异常两种。异常终止可能是由于某些信号引起的，其中一些信号还可能导致进程产生一个核心转储文件
 *  正常的终止可以通过调用\_exit()完成，更多的情况下，则是使用\_exit()的上层函数 exit()完成。\_exit()和 exit()都需要一个整型参数，其低 8 位定义了进程的终止状态。依照惯例，状态 0用来表示进程成功完成，非 0 则表示异常退出。
 *  不管进程正常终止与否，内核都会执行多个清理步骤。调用exec()正常终止一个进程，将会引发经由 atexit()和 on\_exit()注册的退出处理程序（执行顺序与注册顺序相反），同时刷新stdio缓冲区
 *  当打开进程记账功能时，内核会在系统中每一进程终止时将其账单记录写入一个文件。该记录包含进程使用资源的统计数据

监控子进程

*  使用wait()和waitpid()以及其他相关函数，父进程可以得到其终止或者停止子进程的状态。该状态表明子进程是正常终止（带有表示成功或失败的退出状态），还是异常终止，因收到某个信号而停止，还是因收到到 SIGCONT 信号而恢复执行
 *  如果子进程的父进程终止，那么子进程将变为孤儿进程，并为进程ID为1的init进程接管
 *  子进程终止后会变为僵尸进程，仅当其父进程调用wait()族函数获取子进程退出状态时，才能将其从系统中删除。在设计长时间运行的程序，比如shell程序以及守护进程时，应该总是捕获其所创建子进程的状态，因为系统无法杀死僵尸进程，而未处理的僵尸进程最终将塞满内核进程表
 *  捕获终止子进程的一般方法是为信号SIGCHLD设置信号处理程序。当子进程终止时（或者子进程因信号而停止时），其父进程会收到SIGCHLD信号。还有一种一致性稍差的处理方法，进程可以选择将对SIGCHLD信号的处置置为忽略（SIG\_IGN），这时将立即丢弃终止子进程的状态（因此其父进程从此也无法获取到这些信息），子进程也不会成为僵尸进程。