树莓派开始，玩转Linux21：进程的生与死

一时失言乱红尘 2023-01-20 13:51 39阅读 0赞

## 树莓派开始，玩转Linux21：进程的生与死 ##

操作系统把计算机活动划分成进程。程序员编写的程序，也必须运行成进程，才能出现实际效果。既然进程在计算机活动中拥有如此关键的地位，那么我们理应更深入地了解进程。本章将介绍进程的创建和终结，以及与之相关的进程权限。

**1.从init到进程树：**

计算机开机时，Linux内核只创建了一个名为init的进程。在Linux运行期间，会有很多其他新进程，如Shell进程、音乐播放程序进程、邮件程序进程等。Linux内核不直接创建其他新进程，除了init进程之外的所有进程，都是通过fork机制创建的。

所谓的fork，就是从老进程中复制出一个新进程，英文中的"fork"是"分叉"的意思，如图所示。老进程就像一条带有分叉的小溪。老进程分出新进程后，老进程继续运行，成为新进程的父进程（Parent Process），新进程成为老进程的子进程（Child Process）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
查询当前Shell下的进程：  
![在这里插入图片描述][20210513113746486.png]  
结果如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
可以看到，第二个进程bash是第一个进程sudo的子进程，而第三个进程ps是第二个进程的子进程。

一个进程除了有一个PID之外，还会有一个PPID（Parent PID），即用来存储的父进程PID。子进程可以通过查询自己的PPID来了解自己的父进程。从任何一个进程出发，循着PPID不断向上追溯，总会发现源头是init进程，因此Linux的所有进程也构成了一个树状结构，这个树状结构以init进程为根。我们可以用pstree命令来显示树莓派的整个进程树。

在Linux中，fork无处不在。就拿Shell来说，当我们执行一个命令时，Shell进程就会fork一个子进程，用于执行命令对应的程序。在编写应用程序的过程中，也会用到fork机制，从而让一个新的进程来执行子任务。

**2.fork系统调用：**

Linux的应用程序可以通过fork系统调用来创建新进程。该系统调用发生后，就有父与子两个进程，而且两者的进程空间完全相同。

这就创造了一个"我是谁"的问题，即其中的一个进程如何知道，自己是父进程，还是子进程。

Linux内核已经考虑到了这一点，并通过fork调用的返回值解决了问题。由于fork之后有两个进程，fork系统调用会返回两次。一次返回到父进程，把子进程的PID作为返回值交给父进程。如果fork不成功，那么fork调用就会返回一个负值给父进程。  
另一次返回到子进程，用0作为返回值。通过检查fork调用的返回值是否为0，进程就可以知道自己是否是子进程。  
一方面，父进程可以通过fork的返回值知道子进程的PID。另一方面，进程又可以通过自己的PPID来知道父进程是谁，这样，进程就能明白自己在进程树中的位置了。  
我们来看一个fork的例子。  
![在这里插入图片描述][20210513114342184.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
程序中的getpid函数用于获得当前进程的PID。当fork返回后，内存中有两个进程。通过if区分出父进程和子进程，父进程将打印：

![在这里插入图片描述][20210513114432362.png]  
子进程将打印：  
![在这里插入图片描述][20210513114449847.png]  
可见，进程通过fork返回弄清了自己是子进程还是父进程，就能根据自己的情况执行不同的任务。进程在获知自己是子进程后，通常会通过exec系列函数中的一个来加载新的程序文件，从而与父进程执行不同的任务。  
比如Shell执行ls命令，会先fork自己的进程，然后在子进程中运行/bin/ls这一程序文件。

**3.资源的fork：**

进程空间记录进程的数据和状态。当进程fork时，Linux需要在内存中分配新的进程空间给新进程。此外，进程空间中的内容记录了进程的状态和数据。因此，原有进程空间中的所有内容，如程序段、全局数据、栈和堆，都要复制到新的进程空间中。在下面的程序中，子进程和父进程在fork之后有相同的栈，自然也会有相同的变量var。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
除了进程空间，fork还会复制进程描述符（Process Descriptor）。内核中保存了每个进程的相关信息，即进程描述符。描述符是进程在内核中的"驻联合国代表"。每一个进程都会在内存中有一个对应的进程描述符。之前提到的PID、PPID和信号，都保存在进程描述符中。在fork之后，系统出现了一个新的进程，内核就要增加对应该进程的描述符。

子进程描述符中的很多内容都是从父进程的描述符中复制过来的。

> ·　当前工作目录。  
> ·　环境变量。  
> ·　已打开文件的相关信息。  
> ·　信号mask和disposition。

这些信息都是程序运行必需的信息。如果子进程和父进程继续执行同一个程序，那么上述附加信息的改变，会造成子进程运行的错误。比如，父进程打开了一个文件，那么fork出的子进程也可以正常打开文件。

父进程和子进程描述符有很多信息不同。

> ·　PID、PPID。  
> ·　进程运行时间的相关信息在子进程中重置为0。  
> ·　父进程的文件锁在子进程中被清空。  
> ·　父进程的未处理信号在子进程中被清空。

这些信息都是描述进程个体特征的信息。子进程中描述符如果复制上述信息会出问题。我们已经知道，子进程和父进程的PID、PPID必然不同。此外，如果子进程的运行时间不重置为0，那么子进程运行时间的统计就不正确。  
可见，进程描述符是否复制某一块信息，最重要的原则是保证新进程的正确运行。

**4.最小权限原则：**

Linux有一个"最小权限"（Least Privilege）的原则，就是收缩进程所享有的权限，以防进程滥用特权。进程权限也是根据用户身份进行分配的。然而，进程的不同阶段可能需要不同的特权。比如运行到中间时，需要先以更高的权限读入某些配置文件，再进行低权限的处理操作。由于权限和用户身份挂钩，这意味着进程需要在不同身份之间变化。

用户启动进程会让这个进程有3个身份：真实身份、存储身份和有效身份。每个身份都包含一套UID和GID。其中，真实身份是用户登录使用的身份。存储身份如果设置，就是程序文件的拥有者。有效身份则是判断进程权限时使用的身份。

在进程的运行过程中，进程可以从真实身份和存储身份中选择一个，复制到有效身份。通过这种机制，进程就可以在运行过程中变换权限。如果操作所需权限同时超越了真实身份和存储身份的权限，那么无论如何变换身份进程都无权操作。此外，并不是所有的程序都需要设置存储身份。需要这么做的程序文件会把权限的执行位上的"x"改为"s"。这时，用户权限的这一位叫作设置UID位（Set UID Bit），而组权限的这一位叫作设置GID位（Set GID Bit）。

**5.进程的终结：**

进程总有终结的时候。进程可以自发终结，比如进程在main函数结尾调用return，或者在程序中的某个位置调用exit函数直接退出。我们在信号中也看到，进程可以根据信号终结。此外，当进程出现致命错误时，比如当进程出现栈溢出错误时，内核也会主动终结进程。进程终结时，会有一个退出码。这个退出码可以是return或exit返回的，也可以是内核强制终结进程时设置的。当程序正常退出时，程序的退出码为0。如果运行过程中有错误或异常状况，那么退出码会是大于0的整数。退出码可以代表进程退出的原因。

当某个进程终结时，父进程会获得通知，进程空间随即被清空，然而，进程附加信息会保留在内核空间中。也就是说，即使一个进程终结了，它还是会在内核中留下痕迹。删除进程对应内核信息的重任，就落在父进程身上。

按照Linux的惯例，父进程有义务对子进程使用wait系统调用。在调用wait之后，父进程暂停，等待子进程终结。子进程终结后，父进程能从内核中取出子进程的退出信息，并清空这个子进程的进程描述符。在完成了上述工作之后，父进程将恢复运行。  
下面是一段wait程序的示例：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
如果父进程早于子进程终结，子进程就会和进程树失联，成为一个孤儿进程（Orphand Process）。孤儿进程会过继给init进程，因此进程init是所有孤儿进程的父进程。而对孤儿进程调用wait的责任，也就转交给了init进程。

当然，wait系统调用只是约定俗成的责任。Linux对此没有强制规定，一个程序也完全可以不对子进程调用wait，但这种程序会导致子进程的退出信息滞留在内核中。在这样的情况下，子进程成为僵尸进程（Zombie Process）。当大量僵尸进程积累时，内核空间会被挤占，优秀的程序员应该杜绝这种情况的发生。

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