Linux 进程控制

1 fork 与 vfork 函数

UNIX 提供了两个函数用于创建新进程

#include <unistd.h>
pid_t fork();                   /* 子进程中返回0,父进程中返回子进程ID,出错返回-1 */
pid_t vfork();                  /* 子进程中返回0,父进程中返回子进程ID,出错返回-1 */

1.1 fork 出来的子进程有几点要注意：

• 子进程与父进程分别持有相同的文件描述符，这些文件描述符共用核心中的同一个文件项
• 父进程设置的文件锁不会被子进程继承
• 子进程的未处理的闹钟（alarm）被清除
• 子进程的未处理信号集设置为空集
• 当子进程终止时，内核会向父进程发送 SIGCHLD 信号，但对该信号，系统的默认动作是忽略它
• 子进程会继承父进程的信号处理方式，因为子进程在开始时复制了父进程的存储映像，随意信号捕捉函数的地址在子进程中是有意义的

1.2 fork 与 vfork 的区别在于

• 在子进程调用 exec 或 exit 之前，vfork 并不会将父进程的地址空间复制到子进程中，即 子进程在父进程的空间中运行，因此子进程运行的结果会影响到父进程
• vfork 保证子进程先运行，在它调用 exec 或 exit 之后，父进程才可能被调度运行

2 wait 和 waitpid 函数

#include <sys/wait.h>

/* 若成功则返回进程 ID：0，若出错则返回 -1 */
pid_t wait(int* status);
pid_t waitpid(pid_t pid,int* status,int options);

• 如果所有子进程还在运行,则阻塞
• 如果一个子进程已终止，则父进程获取其终止状态并返回子进程 pid
• 如果父进程没有任何子进程，则 报错返回
• waitpid 可以通过设置选项,使得调用者不阻塞

2.1 参数 status 说明

参数 status 可以为空指针，表示不关心终止状态

在 <sys/wait.h> 中有定义四个宏来获取进程终止的原因

WIFXITED(status)

子进程是否正常终止，若为真，则可以通过宏 WEXITSTATUS(status) 来获取退出的状态码

WIFSIGNALED(status)

子进程是否因收到一个不可捕获的信号而异常退出，若为真，可以通过 WTERMSIG(status) 获取信号编号，某些系统可以通过 WCOREDUMP(status) 判断是否产生 core 文件

WIFSTOPPED(status)

子进程是否处于 stop 状态，若为真，则可以通过 WSTOPSIG(status) 来获取使子进程暂停的信号编号

WIFCONTINUED(status)

子进程是否处于 continue 状态

2.2 参数 pid 的说明

• pid == -1，等待任一子进程，此时 waitpid 与 wait 等效
• pid > 0，等待进程 id 与 pid 相等的子进程
• pid == 0，等待组 ID 等于调用进程组 ID 的任一子进程
• pid < -1，等待其组 ID 等于 pid 绝对值的任一子进程

2.3 参数 optioins 说明

通过设置 options 参数，waitpid 不一定等到子进程退出来能获取子进程的状态，也能在子进程处于 stop 或 continue 状态时返回子进程的状态

• WNOHANG：waitpid 不阻塞
• WUNTRACED：若子进程处于 stop 状态，且该 stop 状态尚未报告时，返回其状态
• WCONTINUED：若子进程处于 continue 状态，且该 continue 状态尚未报告时，返回其状态.

3 waitid 函数

waitid 可以指定要监控的子进程的哪些状态变化

#include <sys/wait.h>

int waitid(idtype_t idtype,id_t id,siginfo_t* infop,int options);

• 参数 idtype_t 指定了要等待的子进程的类型

  P_PID

  等待一个特定的进程

  P_PGID

  等待一个特定进程组中的任一子进程

  P_ALL

  等待任一子进程，此时忽略参数 id 的值

• 参数 id 的作用则跟 idtype 的值相关
• 参数 options 指定关注子进程的哪些状态变化

  WNOHANG

  非阻塞等待

  WNOWAIT

  不破坏子进程的退出状态,该状态可由后续 wait，waitid 或 waitpid 调用获取

  WSTOPPED

  等待一个尚未报告的 STOP 状态的子进程

  WCONTINUED

  等待一个尚未报告的 CONTINUE 状态的子进程

  WEXITED

  等待已退出的子进程

4 exec 系列函数

• 由于 exec 一个新程序后，信号处理函数的地址已经失效了，因此 exec 函数将原先设置为要捕获的信号都更改为它们的默认动作

4.1 exec 系列函数的区分

• 字母p表示该函数可以为不带目录的文件名，则会从 PATH 环境变量中搜索可执行文件
• 字母l表示该函数的参数要一个一个的在函数签名中列出来，最后以一个（char*）0 结尾表示参数终结
• 字母v表示该函数取一个 argv[] 数组作为传递給新进程的参数
• 字母e表示该函数接收一个 envp[] 数组，可以分配不同于当前环境的新环境

4.2 exec 后的新进程与原进程的关系

• 新进程保持
  • 原 pid 和 ppid
  • 原实际用户 id 和实际组 id
  • 附加组ID
  • 进程组ID
  • 会话ID
  • 控制终端
  • alarm尚存留的事件
  • 当前工作目录
  • 根目录
  • 文件模式创建屏蔽字
  • 文件锁
  • 进程信号屏蔽
  • 未处理信号
  • 资源限制
  • tms_utime、tms_stime、tms_cutime 及 tms_cstime
• 是否关闭原进程打开的文件与该文件描述符的 close-on-exec 标志有关
  • 若设置了该标志，则指向 exec 时会关闭该描述符
  • 若没设置该标准，则保持描述符打开
  • 除非特地用 fcntl 设置了该标志，否则系统的默认为关闭该标志
• exec 时 明确会关闭打开的目录流（opendir）

4.3 当 exec 调用一个带 #! 解析器程序 可选参数项 的脚本文件时：

1、exec 实际执行的并不是该脚本文件，而是脚本文件第一行 #! 解析器程序 可选参数项 中的 解析器程序

2、exec 传递给该解析器程序的参数顺序为，解析器地址，可选参数，脚本文件地址，除 argv0 外的由 exec 函数传入的其他参数

/*
  /tmp/testinterp的内容为:
  #! /usr/bin/echo.exe args:
*/

#include <unistd.h>
int main(){
  execl("/tmp/testinterp","testinterp","myarg1","MY ARG2",(char*) 0);
}

args: /tmp/testinterp myarg1 MY ARG2

5 进程会计

大多数 UNIX 系统都提供了一个选项以进行进程会计（process accounting）处理，启用该选项后，每当进程结束时，内核就写一个会计记录

会计记录是在 fork 时产生而不是 exec 时产生 但 exec 会改变响应记录中的命令名，而且 AFORK 标志也会被清除

会计记录一般为二进制格式的,且结构各个系统实现的都不一样，一般可以在 <sys/acct.h> 中查到 struct acct

root 用户可以使用 accton 命令行来对命令行开启进程会计选项

6 进程时间

任何进程都可以通过调用 times 函数获得自己的运行时间，用户态 CPU 时间和内核态 CPU 时间

#include <sys/times.h>

/* 若成功返回进程相对上一次运行 times 函数的运行时间，单位为时钟滴答数，若出错返回 -1 */
clock_t times(struct tms* buf); 

struct tms{
  clock_t tms_utime;            /* user CPU time */
  clock_t tms_stime;            /* system CPU time */
  clock_t tms_cutime;           /* user CPU tim, terminated children */
  clock_t tms_cstime;           /* system CPU time, terminated children */
}