操作系统-3.1 进程控制

ns7381
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PCB

每个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。现在我们全面了解一下其中都有哪些信息。

  1. 进程id。系统中每个进程有唯一的id，在C语言中用pid_t类型表示，其实就是一个非负整数。

  2. 进程的状态，有运行、挂起、停止、僵尸等状态。

  3. 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器。

  4. 描述虚拟地址空间的信息。

  5. 描述控制终端的信息。

  6. 当前工作目录（Current Working Directory）。

  7. umask掩码。

  8. 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针。

  9. 和信号相关的信息。

  10. 用户id和组id。

  11. 控制终端、Session和进程组。

  12. 进程可以使用的资源上限（Resource Limit）。

环境变量

exec系统调用执行新程序时会把命令行参数和环境变量表传递给main函数，它们在整个进程地址空间中的位置如下图所示。

和命令行参数argv类似，环境变量表也是一组字符串，如下图所示。

libc中定义的全局变量environ指向环境变量表，environ没有包含在任何头文件中，所以在使用时要用extern声明。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	extern char **environ;
	int i;
	for(i=0; environ[i]!=NULL; i++)
		printf("%s\n", environ[i]);
	return 0;
}

执行结果为

$ ./a.out 
SSH_AGENT_PID=5717
SHELL=/bin/bash
DESKTOP_STARTUP_ID=
TERM=xterm
...

由于父进程在调用fork创建子进程时会把自己的环境变量表也复制给子进程，所以a.out打印的环境变量和Shell进程的环境变量是相同的。

getenv/putenv函数

用environ指针可以查看所有环境变量字符串，但是不够方便，如果给出name要在环境变量表中查找它对应的value，可以用getenv函数。

#include <stdlib.h>
char *getenv(const char *name);
getenv的返回值是指向value的指针，若未找到则为NULL。

修改环境变量可以用以下函数

#include <stdlib.h>

int setenv(const char *name, const char *value, int rewrite);
void unsetenv(const char *name);
putenv和setenv函数若成功则返回为0，若出错则返回非0。

setenv将环境变量name的值设置为value。如果已存在环境变量name，那么 若rewrite非0，则覆盖原来的定义； 若rewrite为0，则不覆盖原来的定义，也不返回错误。 unsetenv删除name的定义。即使name没有定义也不返回错误。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
	printf("PATH=%s\n", getenv("PATH"));
	setenv("PATH", "hello", 1);
	printf("PATH=%s\n", getenv("PATH"));
	return 0;
}

进程控制

fork函数

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t fork(void);
fork调用失败则返回-1，调用成功的返回值见下面的解释。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
	pid_t pid;
	char *message;
	int n;
	pid = fork();
	if (pid < 0) {
		perror("fork failed");
		exit(1);
	}
	if (pid == 0) {
		message = "This is the child\n";
		n = 6;
	} else {
		message = "This is the parent\n";
		n = 3;
	}
	for(; n > 0; n--) {
		printf(message);
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

$ ./a.out 
This is the child
This is the parent
This is the child
This is the parent
This is the child
This is the parent
This is the child
$ This is the child
This is the child

这个程序的运行过程如下图所示。

  1. 父进程初始化。

  2. 父进程调用fork，这是一个系统调用，因此进入内核。

  3. 内核根据父进程复制出一个子进程，父进程和子进程的PCB信息相同，用户态代码和数据也相同。因此，子进程现在的状态看起来和父进程一样，做完了初始化，刚调用了fork进入内核，还没有从内核返回。

  4. 现在有两个一模一样的进程看起来都调用了fork进入内核等待从内核返回（实际上fork只调用了一次），此外系统中还有很多别的进程也等待从内核返回。是父进程先返回还是子进程先返回，还是这两个进程都等待，先去调度执行别的进程，这都不一定，取决于内核的调度算法。

  5. 如果某个时刻父进程被调度执行了，从内核返回后就从fork函数返回，保存在变量pid中的返回值是子进程的id，是一个大于0的整数，因此执下面的else分支，然后执行for循环，打印"This is the parent\n"三次之后终止。

  6. 如果某个时刻子进程被调度执行了，从内核返回后就从fork函数返回，保存在变量pid中的返回值是0，因此执行下面的if (pid == 0)分支，然后执行for循环，打印"This is the child\n"六次之后终止。fork调用把父进程的数据复制一份给子进程，但此后二者互不影响，在这个例子中，fork调用之后父进程和子进程的变量message和n被赋予不同的值，互不影响。

  7. 父进程每打印一条消息就睡眠1秒，这时内核调度别的进程执行，在1秒这么长的间隙里（对于计算机来说1秒很长了）子进程很有可能被调度到。同样地，子进程每打印一条消息就睡眠1秒，在这1秒期间父进程也很有可能被调度到。所以程序运行的结果基本上是父子进程交替打印，但这也不是一定的，取决于系统中其它进程的运行情况和内核的调度算法，如果系统中其它进程非常繁忙则有可能观察到不同的结果。另外，读者也可以把sleep(1);去掉看程序的运行结果如何。

  8. 这个程序是在Shell下运行的，因此Shell进程是父进程的父进程。父进程运行时Shell进程处于等待状态，当父进程终止时Shell进程认为命令执行结束了，于是打印Shell提示符，而事实上子进程这时还没结束，所以子进程的消息打印到了Shell提示符后面。最后光标停在This is the child的下一行，这时用户仍然可以敲命令，即使命令不是紧跟在提示符后面，Shell也能正确读取。

fork函数的特点概括起来就是“调用一次，返回两次”，在父进程中调用一次，在父进程和子进程中各返回一次。从上图可以看出，一开始是一个控制流程，调用fork之后发生了分叉，变成两个控制流程，这也就是“fork”（分叉）这个名字的由来了。子进程中fork的返回值是0，而父进程中fork的返回值则是子进程的id（从根本上说fork是从内核返回的，内核自有办法让父进程和子进程返回不同的值），这样当fork函数返回后，程序员可以根据返回值的不同让父进程和子进程执行不同的代码。

fork的返回值这样规定是有道理的。fork在子进程中返回0，子进程仍可以调用getpid函数得到自己的进程id，也可以调用getppid函数得到父进程的id。在父进程中用getpid可以得到自己的进程id，然而要想得到子进程的id，只有将fork的返回值记录下来，别无它法。

fork的另一个特性是所有由父进程打开的描述符都被复制到子进程中。父、子进程中相同编号的文件描述符在内核中指向同一个file结构体，也就是说，file结构体的引用计数要增加。

exec函数

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序（但有可能执行不同的代码分支），子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。 当进程调用一种exec函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换，从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程，所以调用exec前后该进程的id并未改变。

其实有六种以exec开头的函数，统称exec函数：

#include <unistd.h>

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 *path, char *const argv[], char *const envp[]);
这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行，不再返回，如果调用出错则返回-1，所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。
  • 不带字母p（表示path）的exec函数第一个参数必须是程序的相对路径或绝对路径，例如"/bin/ls"或"./a.out"，而不能是"ls"或"a.out"。
  • 对于带字母p的函数：
    • 如果参数中包含/，则将其视为路径名。
    • 否则视为不带路径的程序名，在PATH环境变量的目录列表中搜索这个程序。
  • 带有字母l（表示list）的exec函数要求将新程序的每个命令行参数都当作一个参数传给它，命令行参数的个数是可变的，因此函数原型中有...，...中的最后一个可变参数应该是NULL，起sentinel的作用。
  • 对于带有字母v（表示vector）的函数，则应该先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组的首地址当作参数传给它，数组中的最后一个指针也应该是NULL，就像main函数的argv参数或者环境变量表一样。
  • 对于以e（表示environment）结尾的exec函数，可以把一份新的环境变量表传给它，其他exec函数仍使用当前的环境变量表执行新程序。

exec调用举例如下：

char *const ps_argv[] ={"ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL};
char *const ps_envp[] ={"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
execl("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
execv("/bin/ps", ps_argv);
execle("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL, ps_envp);
execve("/bin/ps", ps_argv, ps_envp);
execlp("ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
execvp("ps", ps_argv);
事实上，只有execve是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用execve，所以execve在man手册第2节，其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示。

一个完整的例子：

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
	execlp("ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
	perror("exec ps");
	exit(1);
}

执行此程序则得到：

$ ./a.out PID PPID PGRP SESS TPGID COMMAND 6614 6608 6614 6614 7199 bash 7199 6614 7199 6614 7199 ps 由于exec函数只有错误返回值，只要返回了一定是出错了，所以不需要判断它的返回值，直接在后面调用perror即可。注意在调用execlp时传了两个"ps"参数，第一个"ps"是程序名，execlp函数要在PATH环境变量中找到这个程序并执行它，而第二个"ps"是第一个命令行参数，execlp函数并不关心它的值，只是简单地把它传给ps程序，ps程序可以通过main函数的argv[0]取到这个参数。

调用exec后，原来打开的文件描述符仍然是打开的。利用这一点可以实现I/O重定向。先看一个简单的例子，把标准输入转成大写然后打印到标准输出：

wait和waitpid函数

僵尸进程

如果一个进程已经终止，但是它的父进程尚未调用wait或waitpid对它进行清理，这时的进程状态称为僵尸（Zombie）进程。任何进程在刚终止时都是僵尸进程，正常情况下，僵尸进程都立刻被父进程清理了，为了观察到僵尸进程，我们自己写一个不正常的程序，父进程fork出子进程，子进程终止，而父进程既不终止也不调用wait清理子进程：

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
	pid_t pid=fork();
	if(pid<0) {
		perror("fork");
		exit(1);
	}
	if(pid>0) { /* parent */
		while(1);
	}
	/* child */
	return 0;	  
}

在后台运行这个程序，然后用ps命令查看：

$ ./a.out &
[1] 6130
$ ps u
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
akaedu    6016  0.0  0.3   5724  3140 pts/0    Ss   08:41   0:00 bash
akaedu    6130 97.2  0.0   1536   284 pts/0    R    08:44  14:33 ./a.out
akaedu    6131  0.0  0.0      0     0 pts/0    Z    08:44   0:00 [a.out] <defunct>
akaedu    6163  0.0  0.0   2620  1000 pts/0    R+   08:59   0:00 ps u

父进程的pid是6130，子进程是僵尸进程，pid是6131，ps命令显示僵尸进程的状态为Z，在命令行一栏还显示。

如果一个父进程终止，而它的子进程还存在（这些子进程或者仍在运行，或者已经是僵尸进程了），则这些子进程的父进程改为init进程。init是系统中的一个特殊进程，通常程序文件是/sbin/init，进程id是1，在系统启动时负责启动各种系统服务，之后就负责清理子进程，只要有子进程终止，init就会调用wait函数清理它。

僵尸进程是不能用kill命令清除掉的，因为kill命令只是用来终止进程的，而僵尸进程已经终止了。思考一下，用什么办法可以清除掉僵尸进程？

wait和waitpid函数的原型

一个进程在终止时会关闭所有文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但它的PCB还保留着，内核在其中保存了一些信息：如果是正常终止则保存着退出状态，如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。 这个进程的父进程可以调用wait或waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。我们知道一个进程的退出状态可以在Shell中用特殊变量$?查看，因为Shell是它的父进程，当它终止时Shell调用wait或waitpid得到它的退出状态同时彻底清除掉这个进程。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
若调用成功则返回清理掉的子进程id，若调用出错则返回-1。

父进程调用wait或waitpid时可能会：

  • 阻塞（如果它的所有子进程都还在运行）。
  • 带子进程的终止信息立即返回（如果一个子进程已终止，正等待父进程读取其终止信息）。
  • 出错立即返回（如果它没有任何子进程）。

这两个函数的区别是：

  • 如果父进程的所有子进程都还在运行，调用wait将使父进程阻塞，而调用waitpid时如果在options参数中指定WNOHANG可以使父进程不阻塞而立即返回0。

  • wait等待第一个终止的子进程，而waitpid可以通过pid参数指定等待哪一个子进程。

可见，调用wait和waitpid不仅可以获得子进程的终止信息，还可以使父进程阻塞等待子进程终止，起到进程间同步的作用。如果参数status不是空指针，则子进程的终止信息通过这个参数传出，如果只是为了同步而不关心子进程的终止信息，可以将status参数指定为NULL。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
	pid_t pid;
	pid = fork();
	if (pid < 0) {
		perror("fork failed");
		exit(1);
	}
	if (pid == 0) {
		int i;
		for (i = 3; i > 0; i--) {
			printf("This is the child\n");
			sleep(1);
		}
		exit(3);
	} else {
		int stat_val;
		waitpid(pid, &stat_val, 0);
		if (WIFEXITED(stat_val))
			printf("Child exited with code %d\n", WEXITSTATUS(stat_val));
		else if (WIFSIGNALED(stat_val))
			printf("Child terminated abnormally, signal %d\n", WTERMSIG(stat_val));
	}
	return 0;
}

子进程的终止信息在一个int中包含了多个字段，用宏定义可以取出其中的每个字段：如果子进程是正常终止的，WIFEXITED取出的字段值非零，WEXITSTATUS取出的字段值就是子进程的退出状态；如果子进程是收到信号而异常终止的，WIFSIGNALED取出的字段值非零，WTERMSIG取出的字段值就是信号的编号。作为练习，请读者从头文件里查一下这些宏做了什么运算，是如何取出字段值的。

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