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想進行Linux系統開發已經很久了，一直沒有付諸實踐。今日終於開始學習Linux下的C語言編程，研究一天，終於大概弄明白了Linux系統進程管理的一些基本概念和編程方法，總結下來以方便大家學習和自己實踐。
進程系統
Linux是個多任務多用戶的操作系統，系統直接管理的每個任務的最小單位，就是進程(process)。每個進程都有一個惟一的標識符pid，不同的進程pid不相同，在Shell下輸入ps -A，可以顯示當前的所有進程。一個進程不代表一個應用程序(application)，因爲一個應用程序可能對應多個進程，也不代表一個可執行文件(executable file)，因爲一些可執行文件可以被同時運行多個，它們是互不相干的。
在Linux中，進程不是相互獨立的，每個進程（除了init進程）都有一個父進程(parent process)，同時每個進程可以有0個1個或多個子進程(child process)。換句話說，Linux的進程是一個樹形結構，在Shell下輸入pstree可以查看這個樹的形狀。下圖爲pstree返回結果的一部分。
init─┬─NetworkManager─┬─dhclient
│ └─{NetworkManager}
├─SystemToolsBack
├─avahi-daemon───avahi-daemon
├─bonobo-activati───{bonobo-activati}
├─console-kit-dae───63*[{console-kit-dae}]
├─hald───hald-runner─┬─hald-addon-acpi
│ ├─hald-addon-cpuf
├─pulseaudio─┬─gconf-helper
│ └─2*[{pulseaudio}]
├─rsyslogd───2*[{rsyslogd}]
├─seahorse-daemon
├─telepathy-gabbl
├─telepathy-haze─┬─telepathy-haze
│ └─{telepathy-haze}
├─trashapplet
└─wpa_supplicant
在C語言中，獲得當前進程的pid的函數是pid_t getpid(void);，獲得當前進程的父進程的pid的函數是pid_t getppid(void);，兩者都在unistd.h中聲明。
用戶和權限
因爲Linux是多用戶的系統，所以內核中有着強大的用戶控制，因此每個進程還有一個所有者，即實際用戶ID(uid)。系統uid是一個整數，不同於用戶名。默認情況下進程的uid繼承於父進程。例如我用所有者爲byvoid(uid爲1000)的bash終端啓動了一個進程，那麼這個進程的uid也是1000。用戶uid可以通過uid_t getuid(void);函數獲得。如果權限滿足，程序在運行時可以修改uid，C語言函數爲int setuid(uid_t uid);，如果成功執行返回0，否則返回-1。只有具有root用戶權限的進程可以設置uid。
除此以外，進程還有一個有效用戶ID(euid)。euid是決定進程文件系統權限的身份，一般情況下進程euid和uid是相同的。在C語言中可以通過uid_t geteuid(void);函數獲得進程euid。同樣euid也可以修改，函數爲int seteuid(uid_t uid);僅噹噹前uid和euid中至少有一個爲0(root)時，纔可以設置euid。有一種特殊情況，就是一個二進制可執行文件所有者爲root，並且被chmod +s後，在一般用戶身份下執行，這時產生的進程uid爲一般用戶，而euid爲0(root)，這種情況下該進程具有和root一樣高的權限。
進程生成
fork函數
Linux允許用戶創建用戶進程的子進程，在C語言中通過pid_t fork(void);函數實現。fork函數的基本功能是生成一個子進程，並複製當前進程的數據段和堆棧段，子進程和父進程共用代碼段。因爲複製了堆棧段，所以父進程和子進程都停留在fork函數的棧幀中，fork函數要返回兩次，一次在父進程中返回，一次在子進程中返回，但是兩次的返回值是不一樣的。在父進程中，fork函數返回值爲子進程的pid（如果成功調用的話），在子進程中，fork函數的返回值爲0。因此可以根據返回值的不同確定程序的運行流程。父進程和子進程默認情況下是同步執行的，由系統內核調度，哪個先執行是未知的。因爲父子進程的數據段和堆棧段都是獨立的，所以兩者互不干涉，各行其是，內存不能直接共享。
執行程序
Linux中要執行一個外部程序，必須生成一個子進程，因爲內核執行程序的命令exec會替換掉當前進程的地址空間的所有內容並繼續執行，執行另一個程序意味着當前程序不再執行。在C語言中，並沒有exec這樣的一個函數，而是有下列一組函數。
int execl (const char * file,const char * arg,...);
int execlp(const char * file,const char * arg,...);
int execle(const char * file,const char * arg,...,NULL,char * const envp[ ]);
int execv (const char * file, char * const argv[ ]);
int execvp(const char *file ,char * const argv []);
int execve(const char * filename,char * const argv[ ],char * const envp[ ]);
其中以execl開頭的函數，第一個參數file爲可執行文件名，接下來有若干個參數，分別爲傳入的argv[0],argv[1],argv[2],…，最有以NULL結束。如果file參數爲路徑名(其中包含’/’)，execl函數會直接定位到文件並執行，否則僅在當前目錄下尋找文件，而execlp函數遇到文件名則會按照環境變量PATH的順序尋找。execle最後一個參數爲二維字符數組，表示傳遞給程序新的環境變量列表。execv，execvp，execve和前三者用法相似，只不過不以可變參數列表的方式傳遞參數，換以二維字符數組。上述函數執行失敗後會返回-1，如果執行成功的話將會不返回，因爲代碼段已經被新的可執行程序替換。
進程阻塞
wait函數
在實際的應用中，有時候需要讓父進程停下來等待子進程的執行完畢，這時候就需要進行進程阻塞(process blocking)。C語言中使用pid_t wait(int *statloc)函數可以得到子進程的結束信息。調用wait函數的進程會阻塞，直到該進程的任意一個子進程結束，wait函數會返回結束的子進程的pid，結束信息保存在statloc指針指向的內存區域。如果該進程沒有活動的子進程，那麼立即出錯並返回-1。如果statloc指針爲NULL，那麼表示不關心進程結束的狀態。如果有多個子進程，wait函數返回哪個數不確定的，需要通過pid來判斷。
如果我們需要等待特定的一個進程，可以使用pid_t waitpid(pid_t pid,int *statloc,int options)函數。waitpid函數的第一個參數指定了要等待的進程pid，並且有更多的選項。
殭屍進程
當一個子進程退出時，如果沒有被父進程通過wait取得狀態信息，這些信息會一直保留在內核內存中，子進程的pid也不會被消除，直到父進程退出，這時候這些子進程被稱爲殭屍進程（zombie process）。雖然殭屍進程只佔用很少的一點內存，但如果是長期運行的服務器，積累大量的殭屍進程會導致系統進程表被塞滿，以至於無法創建新的進程。產生一個殭屍進程很容易，只需要讓子進程先於父進程退出即可，在父進程退出之前，子進程將會成爲殭屍進程。
孤兒進程
與殭屍進程相反，如果父進程沒有阻塞並先於子進程退出，那麼子進程將會成爲孤兒進程(orphan process)。Linux系統中init進程負責領養所有孤兒進程，也就是說，孤兒進程的父進程會被設爲init進程。init進程作爲系統守護進程(daemon process)，會不斷調用wait函數等待領養的孤兒進程退出，不會產生殭屍進程。
利用孤兒進程避免殭屍進程
許多時候我們不能讓父進程阻塞下來等待子進程處理完以後再繼續，例如在多用戶的服務器程序上。這時如果讓子進程處理事務，就會產生大量殭屍進程。避免殭屍進程出現的一個經典方法就是利用孤兒進程，具體方法爲首先用父進程產生一個子進程，然後讓子進程立刻產生一個孫子進程，用孫子進程來處理事務。同時父進程阻塞等待，並讓子進程則立刻退出。這時候由於子進程已經退出，孫子進程就變成了孤兒進程，被init領養。而子進程立刻退出後，父進程收到信號並正確銷燬了子進程，相比之下父進程只阻塞了可以忽略不計的一瞬間。下面程序是一個例子避免殭屍進程。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
if(fork() == 0) //啓動一個子進程
{
printf("the child\n");
if(fork() == 0) //啓動一個孫子進程
{
printf("do something you want\n");
sleep(5);
printf("done\n");
exit(0);
}
else //子進程立刻退出
exit(0);
}
else
{ //父進程立即阻塞
wait(NULL);
printf("the parent\n");
sleep(10);
}
return 0;
}
上次修改時間 2017-05-22