第8章——《进程控制》

谁践踏了优雅 2022-05-16 00:14 268阅读 0赞

### 实验环境介绍 ###

*  gcc：4.8.5
 *  glibc：glibc-2.17-222.el7.x86\_64
 *  os：Centos7.4
 *  kernel：3.10.0-693.21.1.el7.x86\_64

### 函数fork ###

![fork][]

*  子进程和父进程继续执行fork之后，子进程是父进程的副本。子进程获得父进程数据空间、堆和栈的副本。父进程和子进程不共享这些存储空间。父进程和子进程共享正文段
 *  父进程和子进程之间使用写时复制技术。父进程数据段、堆、栈由父进程和子进程共享，如果父进程和子进程中的任一一个试图修改这些区域，则内核只为哪块内存制作一个副本，通常是虚拟存储系统中的一“页”
 *  测试代码：

#include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    
    #define err_sys(fmt, arg...) \
    do { \
        printf(fmt, ##arg);\
        printf("\nerrno:%d %s\n", errno, strerror(errno));\
        exit(1);\
    } while (0)
    
    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);
    }
    
    [root@localhost part_8]# ./fork 
    a write to stdout
    before fork                # 这里由于printf是输出到标准输出，且标准输出指向终端设备（此时缓冲类型为行缓冲），所以父进程直接刷新了缓冲区，子进程得到的缓冲区为空
    pid = 7176, glob = 7, var = 89
    pid = 7175, glob = 6, var = 88
    [root@localhost part_8]#
    
    [root@localhost part_8]# ./fork > fork.out
    [root@localhost part_8]# cat fork.out 
    a write to stdout
    before fork
    pid = 7178, glob = 7, var = 89
    before fork              # 这里由于printf是输出到标准输出，且标准输出指向文件（此时缓冲类型是全缓冲），所以父进程没有刷新了缓冲区，子进程得到的缓冲区和父进程一样，所以会有两次输出
    pid = 7177, glob = 6, var = 88

##### 进程文件共享 #####

*  在父进程打开文件后进行fork，进程间对文件的共享如图  
    ![共享][70]
 *  如果父子进程写同一描述符指向的文件，但又没有任何形式的同步，那么他们的输出会相互混合（描述符是fork之前打开）

##### fork之后，子进程继承父进程的属性 #####

*  继承的属性包括：
    
     *  实际用户ID、实际组ID、有效用户ID、有效组ID
     *  附属组ID
     *  进程组ID
     *  会话ID
     *  控制终端
     *  设置用户ID标志和设置组ID标志
     *  当前工作目录
     *  根目录
     *  文件模式创建屏蔽字（umask）
     *  信号屏蔽和注册
     *  对任一打开文件描述符的执行时关闭（文件描述符标志close-on-exec）
     *  环境
     *  连接的共享存储段
     *  存储映像
     *  资源限制
 *  父子进程之间的区别：
    
     *  fork的返回值不同
     *  进程ID不同、父进程ID不同
     *  子进程的tms\_utime、tms\_stime、tms\_cutime和tms\_ustime的值设置为0（后面介绍）
     *  子进程不继承父进程设置的文件锁
     *  子进程的未处理的闹钟被清除
     *  子进程的未处理信号集为空集

> 子进程从fork返回后立即调用exec，这个组合操作叫做spawn。UNIX系统一般把这两个操作分开，因为很多场合需要单独使用fork，不跟随exec，使得在fork和exec之间可以更改自己的属性。如I/O重定向、用户ID、信号注册（第15章再来讨论）

### vfork函数 ###

*  vfork与fork的不同
    
     *  vfork保证子进程先运行
     *  子进程调用exec和exit之后，父进程才运行。在exec之前，子进程和父进程共享地址空间
 *  测试代码1：

*  测试代码2

#include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    
    #define err_sys(fmt, arg...) \
    do { \
        printf(fmt, ##arg);\
        printf("\nerrno:%d %s\n", errno, strerror(errno));\
        exit(1);\
    } while (0)
    
    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 */             # 换个函数试试
        }
    
        /* parent continues here */
        printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long)getpid(), globvar,
          var);
        exit(0);                        、、
    }
    
    [root@localhost part_8]# ./vfork 
    before vfork
    pid = 7316, glob = 7, var = 89                            # 父子进程共享地址空间
    [root@localhost part_8]# ./vfork > vfork.out      
    [root@localhost part_8]# cat vfork.out 
    before vfork
    pid = 7318, glob = 7, var = 89                            # 父子进程共享地址空间

### 函数exit ###

*  五种正常终止方式
    
     *  main函数中return
     *  调用exit含糊是
     *  调用\_exit或者\_Exit函数
     *  进程的最后一个线程return，但是该线程的返回值不作为进程的返回值。而是以0作为返回值
     *  进程的最后一个线程调用pthread\_exit函数，和前面一样
 *  3种异常终止方式
    
     *  调用abort，产生SIGABRT信号
     *  接收到某些信号
     *  最后一个线程对取消请求做出响应。
 *  如果父进程在子进程终止前提前终止，子进程的父ID为1
 *  父进程可以调用wait或者waitpid得到已经终止的子进程的信息
    
     *  进程id
     *  进程终止状态
     *  进程使用的cpu总量
 *  一个已经终止、但是父进程没有对其进行善后处理（使用wait函数之类的，获取终止子进程的有关信息、释放它所占用的资源）的进程成为僵尸进程zombie，ps命令中进程状态显示为Z的进程

### wait和waitpid ###

*  如何进行子进程的回收测试代码：

#include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/wait.h>
    
    #define err_sys(fmt, arg...) \
    do { \
        printf(fmt, ##arg);\
        printf("\nerrno:%d %s\n", errno, strerror(errno));\
        exit(1);\
    } while (0)
    
    void pr_exit(int status);
    
    int
    main(void)
    {
        
        pid_t pid;
        int status;
    
        if ((pid = fork()) < 0)
            err_sys("fork error");
        else if (pid == 0) /* child */
            exit(7);
    
        if (wait(&status) != pid) /* wait for child */
            err_sys("wait error");
        pr_exit(status); /* and print its status */
    
        if ((pid = fork()) < 0)
            err_sys("fork error");
        else if (pid == 0) /* child */
            abort(); /* generates SIGABRT */
    
        if (wait(&status) != pid) /* wait for child */
            err_sys("wait error");
        pr_exit(status); /* and print its status */
    
        if ((pid = fork()) < 0)
            err_sys("fork error");
        else if (pid == 0) /* child */
            status /= 0; /* divide by 0 generates SIGFPE */
    
        if (wait(&status) != pid) /* wait for child */
            err_sys("wait error");
        pr_exit(status); /* and print its status */
    
        exit(0);
    }
    
    void
    pr_exit(int status)
    {
        
        if (WIFEXITED(status))
            printf("normal termination, exit status = %d\n",
                    WEXITSTATUS(status));
        else if (WIFSIGNALED(status))
            printf("abnormal termination, signal number = %d%s\n",
                    WTERMSIG(status),
    #ifdef WCOREDUMP
                    WCOREDUMP(status) ? " (core file generated)" : "");
    #else
                    "");
    #endif
        else if (WIFSTOPPED(status))
            printf("child stopped, signal number = %d\n",
                    WSTOPSIG(status));
    }
    
    [root@localhost part_8]# ./zombie 
    normal termination, exit status = 7
    abnormal termination, signal number = 6
    abnormal termination, signal number = 8

*  如果父进程不行等子进程，让子进程单独运行，可以以下实现

#include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/wait.h>
    
    #define err_sys(fmt, arg...) \
    do { \
        printf(fmt, ##arg);\
        printf("\nerrno:%d %s\n", errno, strerror(errno));\
        exit(1);\
    } while (0)
    
    
    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);
    }
    
    result:
    [root@localhost part_8]# ./fork2 
    [root@localhost part_8]# second child, parent pid = 1

### 函数exec ###

*  exec函数并不创建新的进程，只是用新程序替换了进程的正文段、数据段、堆栈
 *  基本源于：exec、exit、wait、exec
 *  新程序继承调用进程的下列属性：
    
     *  进程ID和父进程ID
     *  实际用户ID和实际组ID
     *  附属组ID
     *  进程组ID
     *  会话ID
     *  控制终端
     *  闹钟上尚余留的时间
     *  当前工作目录
     *  根目录
     *  文件模式创建屏蔽字（umask）
     *  文件锁
     *  进程信号屏蔽
     *  未处理信号
     *  资源限制
     *  nice
     *  tms\_utime、tms\_stime、tms\_cutime以及tms\_cstime值
 *  exec族函数之间的关系  
    ![exec][]

### 更改用户ID和更改组ID ###

![用户id和组id][id_id]

*  访问一个文件是基于用户ID和组ID的，当程序需要增加特权，或需要访问当前并不允许访问的资源时，我们需要更改自己的用户ID和组ID
 *  更改用户ID的规则
    
     *  如果进程具有超级用户权，则setuid函数将实际用户ID、有效用户ID以及保存的设置用户ID设置为uid
     *  如果没有超级用户权，但uid等于实际用户id或保存的设置用户，则setuid只有将有效用户用户id设置为uid。不更改实际用户id和保存的设置用户id
 *  测试代码如下：

[manjingliu@localhost part_8]$ ./uid 
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <stdarg.h> /* ISO C variable aruments */
    #include <string.h>
    
    #define MAXLINE 4096
    
    static void
    err_doit(int errnoflag, int error, const char *fmt, va_list ap)
    {
        
        char buf[MAXLINE];
    
        vsnprintf(buf, MAXLINE-1, fmt, ap);
        if (errnoflag)
            snprintf(buf+strlen(buf), MAXLINE-strlen(buf)-1, ": %s",
              strerror(error));
        strcat(buf, "\n");
        fflush(stdout); /* in case stdout and stderr are the same */
        fputs(buf, stderr);
        fflush(NULL); /* flushes all stdio output streams */
    }
    
    
    void
    err_sys(const char *fmt, ...)
    {
        
        va_list ap;
    
        va_start(ap, fmt);
        err_doit(1, errno, fmt, ap);
        va_end(ap);
        // exit(1);
    }
    
    void pr_exit(int status);
    
    int
    main(void)
    {
        
        uid_t uid = 0;
        int ret = setuid(uid);
        if (!ret)
            printf("set id = %d\n", uid);
        else
            err_sys("set root");
    
        uid = 1000;
        ret = setuid(uid);
        if (!ret)
            printf("set id = %d\n", uid);
        else
            err_sys("set manjingliu");
    
        uid = 1002;
        ret = setuid(uid);
        if (!ret)
            printf("set id = %d\n", uid);
        else
            err_sys("set 1002");
        exit(0);
    }
    
    result:
    [manjingliu@localhost part_8]$ sudo ./uid 
    set id = 0
    set id = 1000
    set 1002: Operation not permitted
    [manjingliu@localhost part_8]$ ./uid 
    set root: Operation not permitted
    set id = 1000
    set 1002: Operation not permitted
    [manjingliu@localhost part_8]$ su
    Password: 
    [root@localhost part_8]# ./uid        
    set id = 0
    set id = 1000
    set 1002: Operation not permitted

*  更改三个id的方法  
    ![更改id][id]

##### 函数setreuid和setregid #####

*  交换实际用户id和有效用户id的值
 *  规则
    
     *  一个非特权用户总能交换实际用户ID和有效用户ID。这就允许一个设置用户ID程序可以交换成用户的普通权限，以后又可以再次交换为设置用户ID权限  
        ![设置不同用户ID的各函数][ID]

##### 解释器文件 #####

*  忽略

##### 函数system #####

*  system函数的一种实现

#include <sys/wait.h>
    #include <errno.h>
    #include <unistd.h>
    
    int
    system(const char *cmdstring) /* version without signal handling */
    {
        
        pid_t pid;
        int status;
    
        if (cmdstring == NULL)
            return(1); /* always a command processor with UNIX */
    
        if ((pid = fork()) < 0) {
        
            status = -1; /* probably out of processes */
        } else if (pid == 0) {
         /* child */
            execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *)0);
            _exit(127); /* execl error */
        } else {
         /* parent */
            while (waitpid(pid, &status, 0) < 0) {
        
                if (errno != EINTR) {
        
                    status = -1; /* error other than EINTR from waitpid() */
                    break;
                }
            }
        }
    
        return(status);
    }

##### 进程会计 #####

*  忽略

##### 用户标识 #####

![用户标识][70 1]

*  获取登录名，如果调用此函数的进程没有连接到用户登录时所用的终端，则失败。一般这些进程都是守护进程

##### 进程调度 #####

*  测试代码如下

#include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <stdarg.h> /* ISO C variable aruments */
    #include <string.h>
    
    #include <errno.h>
    #include <sys/time.h>
    
    #if defined(MACOS)
    #include <sys/syslimits.h>
    #elif defined(SOLARIS)
    #include <limits.h>
    #elif defined(BSD)
    #include <sys/param.h>
    #endif
    
    #define MAXLINE 4096
    
    static void
    err_doit(int errnoflag, int error, const char *fmt, va_list ap)
    {
        
        char buf[MAXLINE];
    
        vsnprintf(buf, MAXLINE-1, fmt, ap);
        if (errnoflag)
            snprintf(buf+strlen(buf), MAXLINE-strlen(buf)-1, ": %s",
              strerror(error));
        strcat(buf, "\n");
        fflush(stdout); /* in case stdout and stderr are the same */
        fputs(buf, stderr);
        fflush(NULL); /* flushes all stdio output streams */
    }
    
    
    void
    err_sys(const char *fmt, ...)
    {
        
        va_list ap;
    
        va_start(ap, fmt);
        err_doit(1, errno, fmt, ap);
        va_end(ap);
        // exit(1);
    }
    
    void
    err_quit(const char *fmt, ...)
    {
        
        va_list ap;
    
        va_start(ap, fmt);
        err_doit(0, 0, fmt, ap);
        va_end(ap);
        exit(1);
    }
    
    
    unsigned long long count;
    struct timeval end;
    
    void
    checktime(char *str)
    {
        
        struct timeval tv;
    
        gettimeofday(&tv, NULL);
        if (tv.tv_sec >= end.tv_sec && tv.tv_usec >= end.tv_usec) {
        
            printf("%s count = %lld\n", str, count);
            exit(0);
        }
    }
    
    int
    main(int argc, char *argv[])
    {
        
        pid_t pid;
        char *s;
        int nzero, ret;
        int adj = 0;
    
        setbuf(stdout, NULL);
    #if defined(NZERO)
        nzero = NZERO;
    #elif defined(_SC_NZERO)
        nzero = sysconf(_SC_NZERO);
    #else
    #error NZERO undefined
    #endif
        printf("NZERO = %d\n", nzero);
        if (argc == 2)
            adj = strtol(argv[1], NULL, 10);
        gettimeofday(&end, NULL);
        end.tv_sec += 10; /* run for 10 seconds */
    
        if ((pid = fork()) < 0) {
        
            err_sys("fork failed");
        } else if (pid == 0) {
         /* child */
            s = "child";
            printf("current nice value in child is %d, adjusting by %d\n",
              nice(0)+nzero, adj);
            errno = 0;
            if ((ret = nice(adj)) == -1 && errno != 0)
                err_sys("child set scheduling priority");
            printf("now child nice value is %d\n", ret+nzero);
        } else {
         /* parent */
            s = "parent";
            printf("current nice value in parent is %d\n", nice(0)+nzero);
        }
        for(;;) {
        
            if (++count == 0)
                err_quit("%s counter wrap", s);
            checktime(s);
        }
    }
    
    result:
    [manjingliu@localhost part_8]$ taskset -c 1 ./nice 20
    NZERO = 20
    current nice value in parent is 20
    current nice value in child is 20, adjusting by 20
    now child nice value is 39
    parent count = 353444491
    child count = 5220216
    [manjingliu@localhost part_8]$ taskset -c 1 ./nice 
    NZERO = 20
    current nice value in parent is 20
    current nice value in child is 20, adjusting by 0
    now child nice value is 20
    child count = 180986051
    parent count = 180957702

##### 进程时间 #####

#include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <stdarg.h> /* ISO C variable aruments */
    #include <string.h>
    #include <errno.h>
    
    #include <sys/wait.h>
    #include <sys/times.h>
    
    #define MAXLINE 4096
    
    static void
    err_doit(int errnoflag, int error, const char *fmt, va_list ap)
    {
        
        char buf[MAXLINE];
    
        vsnprintf(buf, MAXLINE-1, fmt, ap);
        if (errnoflag)
            snprintf(buf+strlen(buf), MAXLINE-strlen(buf)-1, ": %s",
              strerror(error));
        strcat(buf, "\n");
        fflush(stdout); /* in case stdout and stderr are the same */
        fputs(buf, stderr);
        fflush(NULL); /* flushes all stdio output streams */
    }
    
    void
    err_sys(const char *fmt, ...)
    {
        
        va_list ap;
    
        va_start(ap, fmt);
        err_doit(1, errno, fmt, ap);
        va_end(ap);
        // exit(1);
    }
    
    void
    err_quit(const char *fmt, ...)
    {
        
        va_list ap;
    
        va_start(ap, fmt);
        err_doit(0, 0, fmt, ap);
        va_end(ap);
        exit(1);
    }
    
    static void pr_times(clock_t, struct tms *, struct tms *);
    static void do_cmd(char *);
    void pr_exit(int status);
    
    static void pr_times(clock_t, struct tms *, struct tms *);
    static void do_cmd(char *);
    
    int
    main(int argc, char *argv[])
    {
        
        int i;
    
        setbuf(stdout, NULL);
        for (i = 1; i < argc; i++)
            do_cmd(argv[i]); /* once for each command-line arg */
        exit(0);
    }
    
    static void
    do_cmd(char *cmd) /* execute and time the "cmd" */
    {
        
        struct tms tmsstart, tmsend;
        clock_t start, end;
        int status;
    
        printf("\ncommand: %s\n", cmd);
    
        if ((start = times(&tmsstart)) == -1) /* starting values */
            err_sys("times error");
    
        if ((status = system(cmd)) < 0) /* execute command */
            err_sys("system() error");
    
        if ((end = times(&tmsend)) == -1) /* ending values */
            err_sys("times error");
    
        pr_times(end-start, &tmsstart, &tmsend);
        pr_exit(status);
    }
    
    static void
    pr_times(clock_t real, struct tms *tmsstart, struct tms *tmsend)
    {
        
        static long clktck = 0;
    
        if (clktck == 0) /* fetch clock ticks per second first time */
            if ((clktck = sysconf(_SC_CLK_TCK)) < 0)
                err_sys("sysconf error");
    
        printf(" real: %7.2f\n", real / (double) clktck);
        printf(" user: %7.2f\n",
          (tmsend->tms_utime - tmsstart->tms_utime) / (double) clktck);
        printf(" sys: %7.2f\n",
          (tmsend->tms_stime - tmsstart->tms_stime) / (double) clktck);
        printf(" child user: %7.2f\n",
          (tmsend->tms_cutime - tmsstart->tms_cutime) / (double) clktck);
        printf(" child sys: %7.2f\n",
          (tmsend->tms_cstime - tmsstart->tms_cstime) / (double) clktck);
    }
    
    void
    pr_exit(int status)
    {
        
        if (WIFEXITED(status))
            printf("normal termination, exit status = %d\n",
                    WEXITSTATUS(status));
        else if (WIFSIGNALED(status))
            printf("abnormal termination, signal number = %d%s\n",
                    WTERMSIG(status),
    #ifdef WCOREDUMP
                    WCOREDUMP(status) ? " (core file generated)" : "");
    #else
                    "");
    #endif
        else if (WIFSTOPPED(status))
            printf("child stopped, signal number = %d\n",
                    WSTOPSIG(status));
    }
    
    result:
    normal termination, exit status = 0
    [manjingliu@localhost part_8]$ ./pr_time "sleep 5" "date"
    
    command: sleep 5
      real: 5.01
      user: 0.00
      sys: 0.00
      child user: 0.00
      child sys: 0.00
    normal termination, exit status = 0
    
    command: date
    Mon Aug 13 11:43:51 CST 2018
      real: 0.00
      user: 0.00
      sys: 0.00
      child user: 0.00
      child sys: 0.01
    normal termination, exit status = 0
    [manjingliu@localhost part_8]$

[fork]: /images/20220516/f9a21c98c3dc4ff5ba18f8c3450f35ee.png
[70]: /images/20220516/1ebe698421bb4014bd1b424a3e57d732.png
[exec]: /images/20220516/5cd6f1b74d174f0f87def3f5647f1047.png
[id_id]: /images/20220516/ffd13a0ead7d4b5499538941d6f2f233.png
[id]: /images/20220516/f4ca7ea428f44103961b507105a4eeed.png
[ID]: /images/20220516/508842f204824b0c9bdd9a903c38bffd.png
[70 1]: /images/20220516/e0e9222a1804408c9b432a995b0c37ae.png