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[操作系统]UNIX高级环境编程(9)进程控制(Process Control)


本章包含内容有:

  • 创建新进程
  • 程序执行(program execution)
  • 进程终止(process termination)
  • 进程的各种ID

 

1 进程标识符(Process Identifiers)

每个进程都有一个唯一的标识符,进程ID(process ID)。

进程的ID是可重用的,如果一个进程被终止,那么它的进程ID会被系统回收,但是会延迟使用,防止该进程ID标识的新进程被误认为是以前的进程。

三个特殊ID的进程:

  • Process ID 0:调度者进程,内核进程。
  • Process ID 1:init进程,内核引导程序最后启动,负责启动Unix系统。对应系统文件/sbin/init。
  • Process ID 2:pagedaemon,负责虚拟内存的页管理。

获取进程各种ID的相关函数:

函数声明:

#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

这里的各种ID在前面第三篇中有说明,http://www.cnblogs.com/suzhou/p/4295535.html

 

2 fork函数

fork函数用于一个已存在的进程创建一个新的进程。

函数声明:

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

函数细节:

  1. 创建的新进程叫做子进程,子进程是父进程的一个拷贝,拷贝数据段,堆和栈,而共享文本段。
  2. 该函数调用一次,但是返回两次(父进程和子进程各返回一次,子进程返回0,父进程返回子进程的进程号)。这样设置的原因是:父进程可以有多个子进程,父进程没有方法获取子进程的进程号,而子进程只可能有一个父进程,并且可以通过getppid方法获取父进程的进程号。
  3. 写时复制(copy-on-write)机制:子进程刚创建,在只读的情况下和父进程共享数据段、堆和栈。如果子进程或者父进程试着修改这些数据,内核会进程这些数据的拷贝。
  4. 我们无法判断子进程和父进程的执行顺序,这取决于系统的调度顺序。

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);

}

执行结果:

NewImage

pid为12291的进程为子进程,对变量glob和var进行了加1。

当把输出重定向到一个文件时,我们发现结果和直接输出到终端中不太一样:

NewImage

原因: 

  • 函数write不使用缓存,所以在系统调用fork之前调用write,结果直接输出到标准输出上;
  • 而标准输出如果连接到终端,则是行缓冲(line buffered),否则是全缓冲(full buffered);
  • 在第一个例子中,换行导致printf写入到标准输出中的数据flush到终端上(行缓冲,换新行,导致前面一行被打印);
  • 在第二个例子中,我们将标准输出重定向到文件,则使用全缓冲,printf的数据被缓存在buffer中没有被打印,在fork时,buffer同样被拷贝了一份,这样父子进程都有了一个标准IO缓存(standard IO buffer);
  • 程序中的第二个printf将新的内从append到buffer中已有数据的后面,一同打印出,就看到了第二个例子中打印的结果。

 

文件共享(File Sharing)

当调用fork函数时,父进程的所有打开的文件描述符都会复制一份到子进程中,包括文件偏移量(file offset)。

所以当父子进程同时写文件时,他们的操作都会更新同一个文件偏移量(file offset),加入子进程向文件中写入了一部分数据,同时更新了file offset,那么父进程进行写入操作时,会使用跟新以后的offset,从而避免了覆盖了子进程写入的数据。

父子进程共享文件如下图所示:

NewImage

我们可以发现,父子进程拥有相同的文件描述符,又没有其他的同步方式,所以他们的输出可能会混起来(intermixed)。

fork之后,常见的处理父子进程拥有的文件描述符有两种方式:

  • 父进程等待子进程完成。
  • 父子进程各自工作,关闭不需要的文件描述符。

除了打开的文件描述,其他的子进程会继承自父进程的内容包括:

NewImage

父子进程不同的地方包括:

  • fork的返回值不同
  • 进程ID不同
  • 进程的父进程ID不同
  • 子进程的tms_utime, tms_stime, itms_cutime和itms_cstime值被置为0
  • 父进程的文件锁不会被子进程继承
  • 子进程的pending signals被置空

 

3 vfork

vfork和fork有相同的返回值。

vfork和fork的不同点:

  • 函数目的:vfork创建的子进程是为了让子进程执行一个新的程序
  • 复制操作:不复制父进程的地址空间,而是直接运行在父进程的地址空间中,直到子进程调用exec或者exit
  • 效率:所以vfork的执行效率比fork要高,因为它没有copy操作
  • 不确定的结果:但是如果子进程修改了数据、调用函数或者没有调用exec和exit方法,则会造成不确定的结果
  • 子进程先运行:vfork保证子进程先运行

 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);

}

运行结果:

NewImage

 

4 进程退出和僵尸进程

正常退出:三个函数exit, 

如果子进程不正常退出,则内核保证记录该进程的异常退出状态,该进程的父进程可以通过调用wait或者waitpid函数获取该子进程的异常退出状态。

如果父进程在子进程之前终止,则init进程成为该子进程的父进程。从而保证每个进程都有父进程。

如果子进程先终止(异常终止或者正常退出),内核会保存该子进程的部分信息,包括进程pid,进程终止时的状态和该进程占用的CPU时间,同时内核会清除该进程占用的内存,关闭所有已经打开的文件描述符。父进程可以通过检查该信息获取子进程的终止情况。

如果子进程先终止,而没有父进程调用waitpid获取该子进程的信息,那么这种进程被成为僵尸进程。使用ps命令可以看到僵尸进程的相关信息。

如果父进程为init进程,那么子进程异常终止并不会成为僵尸进程,因为init进程会对它的所有子进程调用wait函数获取子进程的终止状态。

 

5 wait和waitpid函数

子进程终止,内核会向父进程发送SIGCHLD信号。父进程默认的行为是忽略该信号,父进程也可以设置一个信号处理函数,当捕捉到该信号时,调用该处理函数,在后面的相关章节会介绍信号相关的概念。

本节介绍的wait和waitpid函数的作用是:

  • 如果子进程在运行,则阻塞;
  • 如果子进程终止,并且子进程的终止状态被父进程获取,则该函数立刻返回该终止状态;
  • 如果该进程没有任何子进程,则返回错误。

需要注意的一点是,如果我们在接收到SIGCHLD信号后,调用wait函数,则该函数会立刻返回。在其他情况下调用wait函数,则会阻塞。

函数声明:

#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

两个函数之间的区别:

  • wait函数会阻塞,一直到一个子进程终止;waitpid函数的参数options可以指定不阻塞;
  • waitpid函数可以选择不阻塞,并且可以指定等待某一个子进程终止。

函数细节:

  • 如果一个子进程终止并成为了僵尸进程,wait函数立刻返回该子进程的状态;
  • 如果一个进程调用wait()函数并阻塞,并且有多个子进程,则当有一个子进程终止时,wait()函数返回;
  • 参数statloc是一个整型指针,如果该参数不为null,则子进程的终止状态被保存在该参数指向的整型中;如果我们不关心进程的终止状态,statloc传入null就行;

返回值检查:

使用四个宏来检查wait和waitpid函数来获取子进程的终止状态(terminated status),如退出状态,信号值等信息。

四个宏的具体说明见下表所示:

NewImage

pid的取值对waitpid函数行为的影响:

  • pid == -1:行为和wait相同,等待任意一个子进程终止
  • pid > 0:等待进程号为pid的进程终止
  • pid ==0:等待进程组号和调用进程的进程组号相同的任意一个子进程终止
  • pid < -1:等待进程组号等于pid的任意一个子进程终止

参数option的取值:

NewImage

waitpid函数提供了三个wait没有的特性:

  • waitpid可以让我们等待某一个特定的进程;
  • waitpid提供了不阻塞版本的wait函数;
  • option参数WCONTINUED和WUNTRACED为系统的任务控制(job control)提供了支持。

 

Example:

#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);

}

执行结果:

NewImage

结果分析:

在这里我们fork了两次,原因是,当我们想fork一个子进程出来,而我们不希望父进程阻塞在wait函数,并且不希望由于父进程没有调用wait函数先退出导致子进程成为僵尸进程,那么fork两次,并且退出第一个子进程,可以使得父进程及时退出,并且第二个子进程的父进程变成init进程。

 

小结

本篇主要介绍了fork、vfork、僵尸进程、wait和waitpid函数,这些在unix环境中都是很重要的概念和函数,并且在面试中也经常问到。

下一篇的内容包括:

  • 解释器文件(interpreter files)
  • 系统调用(system function)

 

参考资料:

《Advanced Programming in the UNIX Envinronment 3rd》