| title | date | tags |
|---|---|---|
Unix 环境高级编程：进程控制 |
2018-04-23 13:33:37 -0700 |
Unix |
进程 ID（Process ID）是操作系统中唯一标识进程的非负整数，取值范围：0 ~ 32767（signed short int最大值）
其中0 ~299（macOS 是 100）为系统预留给守护进程使用，递增向上分配，进程终止后其 PID 会被回收利用。
| PID | 名字 | 描述 |
|---|---|---|
| 0 | idle 进程 | 调度进程，是系统创建的第一个进程，运行在内核态 |
| 1 | init 进程 | 由 idle 进程创建，完成 Unix 系统的初始化，是一个有 root 权限的普通用户进程，是后续系统中所有孤儿进程的父进程 |
#include<unistd.h> // 以下标识函数没有出错返回
pid_t getpid(void); // 返回进程的 PID
pid_t getppid(void); // 返回当前进程的父进程 PID
uid_t getuid(void); // 返回进程的实际用户 UID
uid_t geteuid(void); // 返回进程的有效用户 UID
gid_t getgid(void); // 返回进程的实际组 GID
gid_t getegid(void); // 返回进程的有效组 GID// 在当前线程中创建新进程，对子进程返回 0，对父进程返回子进程的 PID，若出错则返回 -1
// 出错场景：系统中进程过多、当前用户创建的进程总数超过了系统的 CHILD_MAX 参数限制
pid_t fork (void);特点：子进程只有一个父进程，能轻松通过 getppid() 获取父进程 PID，但父进程有多个子进程，没有函数能获取它所有子进程的 PID
fork 出的子进程会共享父进程的代码正文段，在同一份代码中区分二者：
// 都会执行的代码
if ((pid = fork()) < 0) {
// fork 出错
} else if (pid == 0) {
// 仅子进程内执行的代码
} else {
// 仅父进程内执行的代码
}
// 都会执行的代码- 父进程复制自己，使得与子进程在同一时间执行不同的代码段，这在早些网络服务中使用：父进程用于 listen 端口，每次 accept 请求都 fork 出一个子进程去处理，而父进程则继续 listen，实现一对多的服务
- 在 fork 后配合
exec函数去执行其他的程序
COW 是常见的内存优化手段，只在真正需要使用时才分配资源，来看 PHP 应用 COW 的例子：
<?php
$arr = array_fill(0, 100000, 233);
var_dump(memory_get_usage());
$arrCopy = $arr; // 浅拷贝，只复制引用
var_dump(memory_get_usage()); // 二者指向同一个地址，此时脚本占用的内存并没有翻倍
$counts = 1;
foreach($arrCopy as $a){
$counts += count($a);
}
var_dump(memory_get_usage()); // 新变量只读不修改，就不会占用新内存
$arrCopy[0] = 100;
var_dump(memory_get_usage()); // 修改 $arrCopy 数组的值，才申请新的内存来存放 [100, 233...]内存占用：
在 fork() 后，子进程与父进程共享用户空间、代码正文段、堆和栈，内核将四块区域的权限设置为只读，只有在二者中任一进程想修改内存中的数据时，才将要修改的内存区域复制为两份，添加可写权限后处理修改请求。这种延迟复制的实现，减少了进程创建的时间开销，也节省了内存。
#include "apue.h"
int globalVar = 6;
char buf[] = "a write to stdout\n";
int main(void) {
int var;
pid_t pid;
var = 88;
if (write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1) != sizeof(buf) - 1) {
err_sys("write error");
}
printf("before fork\n");
if ((pid = fork()) < 0) {
err_sys("fork error");
} else if (pid == 0) { // 在子进程内修改变量的值，
globalVar++;
var++;
} else {
sleep(2); // 强制使父进程休眠 2s，让子进程先执行，否则二者的执行顺序是不定的
}
printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long) getpid(), globalVar, var);
exit(0);
}可以看到，在子进程内将全局变量 globalVar 的值修改为 7，将局部变量 var 的值修改为 89，父进程的两个变量值均未改变：
输出流重定向多了一行 "before fork" 的原因：
./a.out的标准输出指向终端，是行缓冲的，在第 15 行遇到\n后会调用write()输出并冲洗缓冲区./a.out > temp.out的标准输出指向文件，是全缓冲的，所以在fork()子进程时会将缓冲区一同复制
#include <unistd.h>
// 创建一个调用其他程序的新进程
pid_t vfork(void);返回 PID 指向的子进程直接在父进程的地址空间中运行，没有内存复制的概念，会比 COW 更快。
| 区别项 | fork | vfork |
|---|---|---|
| 隔离性 | 子进程在写时复制父进程的数据作为副本，数据（变量）的修改互不影响 | 子进程运行在父进程的地址空间中，数据的修改对二者是同步修改的 |
| 执行顺序 | 父子进程调用顺序不定 | 保证子进程先运行，它调用 exec() 或 exit() 后，父进程才继续运行 |
int globalVar = 6;
char buf[] = "a write to stdout\n";
int main(void) {
int var;
pid_t pid;
var = 88;
if (write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1) != sizeof(buf) - 1) {
err_sys("write error");
}
printf("before fork\n");
if ((pid = vfork()) < 0) {
err_sys("fork error");
} else if (pid == 0) { // 在子进程内修改变量的值
globalVar++;
var++;
_exit(0); // 不会像 exit 一样冲洗标准 IO
}
printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long) getpid(), globalVar, var);
exit(0);
}可看到，子进程内对 2 个变量的自增操作同步到了父进程：
因为子进程与父进程的运行是异步的，异常终止时，会产生 2 种异常的子进程：
- 父进程比子进程提前终止，子进程变为孤儿进程
- 子进程终止后，父进程不予处理，子进程变为僵死进程
一般情况下，子进程在退出时，内核为它保存了如 PID、终止状态和运行时间等信息，其父进程可使用 wait 或 waitpid 来获取这些信息，进而释放子进程的资源。
特殊情况下，子进程运行完毕终止后，父进程对其不做处理，则其将变成僵死进程，如：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(void) {
pid_t pid;
if ((pid = fork()) >= 0) {
if (pid == 0) {
exit(0);
} else {
sleep(233); // 强制使父进程休眠，不处理执行结束的子进程
}
}
return 0;
}STAT 一栏 Z 标识 PID 为 7154 的子进程为僵死进程：
内核为僵死进程保留的信息得不到处理，PID 等资源会被一直占用，如果系统中大量的僵死进程耗尽了可用的 PID，将无法再创建进程。
父进程比子进程先终止，则这些子进程将会被 PID 为 1 的 init 进程收养。作为 ”父进程“ 的 init 进程会时刻监视着它们，任一个孤儿进程终止，init 都会主动调用 wait 处理并释放它占用的资源。
因为 init 会帮孤儿进程善后，相比僵死进程，它就没什么危害。
#include <sys/wait.h>
// 阻塞当前进程的执行，直到有子进程终止
// 成功返回该子进程的 PID，出错则返回 -1，错误原因保存在 errno
// 若参数不是 NULL，则子进程的整型退出状态会保存到 status
pid_t wait (int *status);Unix 中有专门检查 status 退出状态的函数宏，如：
-
WIFEXITED(status)：检查子进程是否是正常退出的，是则返回真 -
WEXITSTATUS(status)：若子进程正常退出，则取得子进程 exit() 的状态码，如果是非正常退出则返回 0
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
pid_t pid;
int status, i;
if (fork() == 0) {
printf("子进程 PID = %d\n", getpid());
exit(233);
} else {
sleep(1);
printf("父进程中等待子进程运行终止...\n");
pid = wait(&status);
if (WIFEXITED(status)) {
printf("接收到子进程 PID = %d \n退出状态 = %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));
}
}
}