linux进程控制（一）--unix环境高级编程读书笔记

1.进程PID和特殊的3个进程

每一个进程在系统中都有一个唯一的标识，这个标识叫做进程标识符，或者叫 PID（process identity）。我们可以通过调用 getpid 函数来获取一个进程的PID，也可以调用getppid函数来获取当前进程的父进程PID。在 linux 系统中，有三个特殊的进程，它们的进程 PID 分别为0，1，2。0号进程是系统进程，它存在与内核当中，而不是磁盘文件上。该进程常被成为交换进程，或者叫 swapper。1号进程就是 init 进程，这个进程用来读取一些初始化文件，并且引导系统到一个状态，如多用户状态，init 进程是一个用户进程。2号进程是页精灵进程，用来做一些和虚拟内存相关的工作，可是这个进程我没有在系统中找到。如果有知道的朋友，请告诉我，这个页精灵进程在系统中是哪一个进程，另外页精灵进程也是系统进程。需要说明的是，这3个进程都是由特殊的方式产生的，除了这3个进程以外，linux 系统中的其它进程都是由调用 fork 函数产生的。

2.fork函数

fork 函数用来创建一个子进程，这是 linux 系统中创建子进程的唯一方式。当调用 fork 函数之后，我们称调用 fork 函数产生的进程为子进程，调用fork函数的进程为父进程。fork 函数调用一次，但是返回两次。这两次返回分别是在父进程和子进程中，在父进程中返回子进程的 PID，在子进程中返回0。当调用 fork 函数成功后，父子进程就分别从调用 fork 的地方开始执行。子进程是父进程的一个拷贝，但是现在很多的实现，并不是调用 fork 成功之后就立即拷贝，而是采用了一种称为 COW（copy on write）的技术，只有当子进程需要修改一些值时，才进行拷贝。拷贝的是父进程的数据空间以及堆和栈。我们可以用一个小例子来解释一下 fork 函数的作用及特性：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int glob = 6;
char buf[] = "a write to stdout\n";int main(void)
{pid_t pid;int var = 88;if( write(STDOUT_FILENO,buf,sizeof(buf)-1)!=sizeof(buf)-1 ){printf("write error\n");return -1;}printf("before fork\n");if( (pid=fork())<0 ){printf("fork error\n");return -1;}else if(pid==0){glob++;var++;}else{sleep(2);}printf("pid=%d\tglob=%d\tvar=%d\n",getpid(),glob,var);return 0;
}

将程序编译生成 a.out 直接运行，输入命令：

./a.out

得到输出结果如下：

a write to stdout
before fork
pid=3131   glob=7 var=89
pid=3130   glob=6 var=88

如果将程序的输出结果重定向到一个文件：

./a.out > /tmp/a

查看 /tmp/a 的内容：

vim /tmp/a

得到输出结果如下：

a write to stdout
before fork
pid=3077        glob=7  var=89
before fork
pid=3076        glob=6  var=88

看到这个结果，我们可能会感到奇怪。为什么第一次输出了一次 before fork，而后面重定向到文件之后，就输出了两次呢？原因其实很简单，我们之前说过，fork之后的子进程会复制父进程的数据空间和堆栈。因为 write 函数是系统调用，没有缓存，所以立即就输出了。而printf在交互的情况下是行缓存的，它是由换行符刷新的，所以当没有重定向时，printf 碰到换行符就立即输出了。而当把这个程序重定向到一个文件时，printf 函数就变为全缓存的了。所以它并不立即输出，而是保留在缓存中。在调用 fork 之后，当子进程复制父进程时，把父进程缓存中的内容也复制到子进程的工作空间中。所以 before fork 分别在父进程和子进程中各输出一次。

fork 函数创建的子进程，会把在父进程中打开的文件描述符，复制到子进程中，也就是说它们共享同一个文件表项。

3.vfork函数

vfork 函数和 fork 函数的基本功能是一样的，它也是调用一次返回两次。但是 vfork 函数和 fork 函数的不同在于，vfork 的目的是创建一个新进程，该进程用来通过调用 exec 函数来执行一个新进程，所以子进程并不复制父进程的数据空间和堆栈，而是先在父进程的工作空间中运行。vfork 函数要求父进程等待子进程先执行，如果在调用了vfork函数之后，子进程的执行还需要依赖于父进程的进一步动作，这将导致死锁。只有当子进程执行了 exec 函数或者 exit 函数之后，父进程才可以被调度执行。我们将上面的程序中的fork函数替换为vfork函数，得到的程序如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int glob = 6;int main(void)
{int var = 88;pid_t pid;printf("before vfork\n");if( (pid=vfork())<0 ){printf("vfork error\n");return -1;}else if(pid==0){var++;glob++;_exit(0);}printf("pid=%d var=%d glob=%d\n",getpid(),var,glob);return 0;
}

不论你将上面的程序执行多少次，

before vfork
pid=3487 var=89 glob=7

输出结果肯定是上面的样子，因为 vfork 函数保证子进程先执行。在子进程中修改了 var 和 glob 的值之后，就调用了 _exi t函数退出了。因为vfork函数产生的子进程并不复制父进程的工作空间，它是在父进程的工作空间中运行的，所以子进程改变了父进程工作空间中的数据，这是很正常的。

4.init 进程领养其他进程

经过前面的介绍，我们已经了解了 init 进程。它不是一个系统进程，它就是存在于 /sbin/init 文件。它的作用是在系统启动时用来读取一些初始化信息，将系统引导到一个状态。另外，它还有一个重要的角色是收养系统中的孤儿进程。那么什么进程叫做孤儿进程呢？顾名思义，孤儿进程就是其父进程在其终止之前终止的进程。

init 进程收养孤儿进程的手续是怎么样的呢？当一个进程要终止时，内核会逐个检查系统中的各个进程，查看它们的父进程是否是正要终止的进程，如果是这样的话，就将它们的父进程修改为 init 进程。

另外，关于init进程清除系统中的僵死进程和僵死进程的一些概念，请参考博客点击打开链接。

5.wait和waitpid

wait 和 waitpid 函数，用来在父进程中等待子进程的结束。wait 函数用来等待父进程的任何一个子进程，只要有子进程终止，它就立即返回。调用 wait 函数，会发生3种情况：

1.当该进程没有任何子进程时，会发生错误，返回-1
2.当该进程的子进程都在运行，尚没有子进程结束时，该进程会发生阻塞
3.当该进程已经有子进程终止时，可期待  wait  函数立即返回，返回值为终止子进程  PID

waitpid 函数和 wait 函数的不同在于，通过参数的设置，它既可以等待任何一个子进程（这时候功能相当于 wait），又可以等待指定 pid 的子进程，并且它可以不用阻塞。

6.exec函数

exec 函数族包括很多的函数，这些函数的作用都是执行一个新的进程。内核执行一个进程的唯一方法是调用 exec 函数，但是 exec 函数并不修改进程的PID。一般的使用方法是先调用fork函数创建一个子进程，然后在子进程中执行 exec 函数。exec 函数族如下：

       #include <unistd.h>extern char **environ;int execl(const char *path, const char *arg, ...);int execlp(const char *file, const char *arg, ...);int execle(const char *path, const char *arg,..., char * const envp[]);int execv(const char *path, char *const argv[]);int execvp(const char *file, char *const argv[]);int execve(const char *filename, char *const argv[],
char *const envp[]);

这六个函数的记忆方法是以 p 结尾的 execlp 和 execvp 中第一个参数是文件名，而不是路径。当执行这个文件名指定的文件时，就会在 PATH 指定的路径中，搜寻指定的文件。如果在文件名中出现“/”则按路径来处理。名字中包含“l” 的函数 execl ,execlp 和 execle，说明了在这些函数中传递给要执行的程序的命令行参数是一个列表，这个列表以空指针NULL结尾，它们参数排列一般如下：

pathname , arg1 , arg2 , (char*)0

而函数名字中带有v的函数 execv, execvp 和 execve，一般是将命令行参数的指针放在一个数组 argv 中，这个数组以空指针 NULL 结尾。函数名中包含“e”的函数 execve 和 execle，它规定了需要向该函数传递环境变量。

上面的6个函数中只有 execve 是系统调用，其他的函数都是库函数，最终都需要调用 execve 函数。