Linux进程基本用法

关于进程涉及到的知识点还是很多的，需要全方位理解操作系统才能更好的理解进程。在初步使用了进程相关的glibc函数之后带来了更多的问题需要思考：1. 进程的创建过程fork 主要是对进程结构 struct task_struct 的拷贝，这个结构体中包括 进程调度信息、文件系统、文件读写流、虚拟内存等信息 2. 进程与线程的区别，他们共享系统分配的虚拟内存，具体共享的是虚拟内存的那些部分 3. Linux中代码被编译成机器指令以二进制的文件格式存储在硬盘，这个格式叫做elf 不仅仅有机器指令 还是有头信息、符号表等信息节 4. 多进程在操作系统中是如何被调度的 算法是怎样的 5. 用户态到内核态的转换 依赖的是中断 需要搞清楚中断的实现原理 6. 进程可以接收外部信号 这个外部信号本质又是什么。 搞清楚了这些问题，才能搞清楚进程的本质，同时这些内容也是独立的知识体系需要单独来讲了，这里先写下进程的表面形式。

1. 什么是进程

操作系统介于硬件与程序之间，一方面给程序提供一个统一的操作硬件的接口，另一方面保护硬件不被应用程序破坏。为了实现多任务系统，操作系统实现的多任务功能，这每个任务就是一个进程。操作系统会给每个进程创建一个独立的抽象硬件的数据空间，多任务的实现其实就是CPU每次执行一部分的进程机器指令，这可以通过中断系统来控制CPU的执行行为，需要先执行哪个进程的问题就是进程调度，操作系统会实现。进程是被内核调度的最小单元，线程也是可以被内核调度的，这是因为线程在内核态其实也是进程的形式。

1. 进程创建

1.1 fork函数

进程的创建可以使用内核方法 fork 或者使用 glibc 的 fork 方法创建，fork方法会返回两次 当返回的 pid 为0时说明代码是在子进程中执行，当返回的 pid 不为0的时候说明代码是在父进程中执行。
fork函数

fork函数返回的情况比较特殊，函数只会返回一次，但是fork函数从表象上看却好像返回了两次，其实不然，fork如其他函数一样返回一次，只是在调用fork的过程中内核创建了新的子进程，创建之后 父子进程的代码执行点是一样的，这时候进程调度系统会调度执行 父子两个进程各自的代码，最终父子进程的fork函数都会执行完成 也都会返回一个值，这样总共返回的是两个值。
fork在创建子进程的时候会调用 copy_process 方法从父进程中复制进程需要的信息到子进程中，父进程在 fork 方法中会得到 子进程的 pid 这个值会放在 寄存器 eax 最终通过函数调用栈返回，子进程也存在一个 返回值 p->tss.eax，但是在 copy_process 的过程中这个值被直接赋值为 0 了，这也是为什么在 调度到父进程的时候fork返回值是子进程pid 调度到子进程的时候fork的返回值是0 的原因了。

fork使用实例

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) perror("create process error");
    if (pid == 0) printf("child process pid=%d\n", getpid());
    // 这里的条件还是要写 因为这个条件在父子进程中都会执行
    if (pid > 0) printf("parent process pid=%d,create child process pid=%d\n", getpid(), pid);
    return 0;
}

-------- result --------
parent process pid=24751,create child process pid=24752
child process pid=24752

1.2 进程在内存中的分布

对于进程的创建，在刚刚创建完成的时候 父子进程是完全一样的，这个创建过程就是简单的复制过程，但是这两个进程对于系统是平等的，系统会公平调度这两个进程。
进程作为一个系统调度执行的基本单元，在启动的时候就会加载到内存中，linux流行的二进制文件格式是 elf 这种格式也定义了内存的布局。

这些是一个程序运行需要的数据，进程在创建的时候其本质就是复制了这些信息，elf具体的格式需要单独分析。

1.3 进程间关系

进程的创建都是由父进程创建的，所以进程的信息中存在 进程id pid 、父进程id ppid。在操作系统执行之初就创建了一个进程 idle 其进程id = 0 ，idle 进程创建了进程 init pid=1 这个就是用户空间中所有进程的父进程，每个进程都是由其父进程创建，所以每个进程都有父进程。
进程组 pgid，每个进程都有一个进程组的属性，这个属性值是从父进程继承复制过来的，这个值其实是一个进程的pid，这个进程可能已经不存在，系统这里使用进程组这个概念的作用是为了方便对进程的管理，没有分组就只能一个一个进程的处理。
会话 sid，会话主要涉及到shell场景，会话id也是从父进程复制过来的值，会话id同样是一个进程的pid，会话id 不会随着进程退出而消失的，会话的目的是为了方便管理shell中执行的进程(作业任务)。会话进程被称作Leader进程，就是进程id等于会话id的进程，只有这个进程才能操作 tty 对应的IO流。可以通过函数 setsid() 修改当前进程的会话id，函数调用成功 当前进程的会话id 等于 当前进程的进程组id 等于 当前进程id，也就是说 sid = pgid = pid

进程间的关系代码示例

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int main() {
    pid_t pid1 = fork();
    if (pid1 < 0) perror("create process failed 1");
    if (pid1 == 0) {
        pid_t pid2 = fork();
        if (pid2 < 0) perror("create process failed 2");
        if (pid2 == 0) {
            // 孙子进程
            printf("p2 %d,%d,%d,%d\n", getpid(), getppid(), getpgid(getpid()), getsid(getpid()));
            exit(0);
        }
        // 子进程
        sleep(1);
        printf("p1 %d,%d,%d,%d\n", getpid(), getppid(), getpgid(getpid()), getsid(getpid()));
        exit(0);
    }
    // 父进程
    sleep(2);
    printf("p0 %d,%d,%d,%d\n", getpid(), getppid(), getpgid(getpid()), getsid(getpid()));
    return 0;
}

-------- result --------
p2 58165,58164,58163,1
p1 58164,58163,58163,1
p0 58163,58994,58163,1

上面代码使用了sleep阻塞进程的目的是为了展示进程间的父子关系，如果没有阻塞等待，子进程可能会成为孤儿进程 其父进程id为1，当然正常是需要函数 wait 来处理的，具体的wait用法放在后面来看。

通过函数 setsid 修改会话id

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int main () {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) perror("create process failed 1");
    if (pid == 0) {
        // 子进程调用 setsid 修改会话id 同时进程组id也会随之改变
        setsid();
        printf("p1 %d,%d,%d,%d\n", getpid(), getppid(), getpgid(getpid()), getsid(getpid()));
        exit(0);
    }
    sleep(1);
    printf("p0 %d,%d,%d,%d\n", getpid(), getppid(), getpgid(getpid()), getsid(getpid()));
    return 0;
}
-------- result --------
p1 58358,58357,58358,58358
p0 58357,58994,58357,1

1.4 父子进程监控

父进程创建子进程后，父子进程作为单独的CPU调度单元运行，两者的执行顺序是独立的，但是父子进程有存在进程父子关系，如果父进程先执行完退出，子进程挂载到 init进程还好，如果子进程先执行完 父进程没执行完毕 则子进程会成为僵尸进程（进程状态 Z ）, 其实此时的子进程资源已经被回收 但是还有一些统计信息存在进程中，需要等待父进程结束的时候才会被系统回收处理这些僵尸进程。僵尸进程是进程的正常状态，是一个已经退出的进程。如果这种状态进程多的话 会占用一些系统资源 比如进程号，虽让僵尸进程不会被进程调度，但是过多的僵尸进会导致进程表太大 程影响调度程序的便利过程。

父进程需要负责回收子进程，处理函数可以使用 wait

更灵活的处理子进程退出函数 waitpid

参数1

参数2

|||
|||
|||

WIFEXITED(status) 如果子进程正常结束，它就返回真；否则返回假。
WEXITSTATUS(status) 如果WIFEXITED(status)为真，则可以用该宏取得子进程exit()返回的结束代码。
WIFSIGNALED(status) 如果子进程因为一个未捕获的信号而终止，它就返回真；否则返回假。
WTERMSIG(status) 如果WIFSIGNALED(status)为真，则可以用该宏获得导致子进程终止的信号代码。
WIFSTOPPED(status) 如果当前子进程被暂停了，则返回真；否则返回假。
WSTOPSIG(status) 如果WIFSTOPPED(status)为真，则可以使用该宏获得导致子进程暂停的信号代码。

参数3

wait waitpid 的实现方式并不是 基于信号 SIGCHLD ，信号是异步通知的，wait waitpid函数默认则是阻塞执行的 应该是轮询实现的吧。

2. 进程信号

进程在执行的过程中是可以与外界交互的，外界可以给进程发信号，这个发信号的实现原理依赖的是 CPU中断机制，常用的终止进程命令 kill -9 <pid> 就是一个给进程发送信号的过程。CPU中集成有处理中断的硬件，发送中断信号其实是发送给CPU，CPU每执行完指令后就会读取中断设备中是否有中断需要处理，发送的信号对应有一个信号值，这个值对应的是IDT(Interrupt Descriptor Table) 表的索引，他的值是命令存储的内存地址，CPU通过这个信号值查找对应的指令存储的内存地址，然后读取指令执行。

2.1 信号的发送与处理

2.1.1 通过 kill 发送信号

发送信号可以使用函数 kill 也对应 shell命令中的 kill

返回值
返回值错误码

参数进程id

信号
对于信号的值 有些信号存在多个值 是因为在不同的架构中 对信号定义的值不同，三个值用逗号隔开，第一个值是 alpha 和 sparc架构使用的，第二个是 x86 arm架构使用，第三个值是mips架构使用。

进程状态相关的信号

中止进程的四个信号

SIGINT SIGQUIT 对应的是 terminal 停止进程 信号都可以被捕获，SIGQUIT 会生成 core dump 文件
SIGTERM SIGKILL 不针对 terminal SIGTERM 可以被捕获 SIGKILL 不能被捕获

生成core dump 需要设置限制条件 ulimit -c unlimited 也可以设置其他值 单位 blocks , 若 设置为 ulimit -c 0 则不会生成 core dumo 文件。
启动进程 通过 Ctrl-\ 停止进程 当前文件夹下就会生成 core dump 文件 core.<pid> ，这个文件的生成是内核的 SIGQUIT 信号处理程序生成的。

其他用到的信号

2.1.2 通过 signal 注册对应信号处理程序

信号处理函数 signal

现在常用的signal处理程序注册函数是 sigaction，signal存在一定的问题：???

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void handle(int signo) {
    printf("get sig nr %d\n", signo);
    exit(0);
}
int main() {
    printf("parent pid=%d\n", getpid());
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("child pid=%d\n", getpid());
        while (1);
    }
    // 注册子进程退出信号的处理函数
    signal(SIGCHLD, handle);
    // 发送信号给指定进程
    getchar();
    // 终止子进程
    kill(pid, SIGTERM);
    return 0;
}
-------- result --------
parent pid=63154
child pid=63155
>\n
get sig nr 20

3. 进程状态

R 运行 被调度
T 暂停
S 睡眠
Z 僵尸

TODO
中断的实现原理 键盘输入输出
计算机的启动过程
内存
文件
进程
进程调度算法
进程与线程
IO
终端执行shell命令的过程
unix二进制可执行文件格式 elf