Linux是怎样工作的--第三章

第三章：进程管理

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前言

一、创建进程

二、fork（）函数

三、execve（）函数

1. const char *pathname

2. char *const argv[]

3. char *const envp[]

四、结束进程

总结

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前言

本章将介绍内核提供的创建与删除进程的功能，但是目前我们还不了解第五章关于虚拟内存的内容，据无法理解linux创建与删除进程的机制，因此本章抛弃了虚拟内存，单纯讲述进程的创建与删除，第五章就详细介绍完整的运行机制

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、创建进程

在Linux中，创建进程有如下两个目的：

• 将同一个程序分成多个进程进行运行（例如，使用Web服务器接收多个请求）
• 创建另一个程序（例如，从bash启动一个新的程序）

为了达成目的，Linux提供了fork()(底层为clone()的系统调用)与execve()函数（底层为execve()的系统调用）

二、fork（）函数

要将同一个程序分成多个进程进行处理，只需要使用fork（）函数即可，调用fork（）函数即可，在嗲用fork（）函数，基于发起调用的进程，创建一个新的进程的那个进程称为父进程，被创建的哪个进程为子进程

创建新进程的流程如下：

        1.为子进程申请内存空间，并复制父进程的内存到子进程的内存空间

        2.父进程与子进程分裂成两个进程，以实现不同的代码，这一点的实现依赖于fork函数分别返回不同的值给父进程与子进程

接下来我们实现以下程序对fork函数一探究竟

#include<unistd.h>//提供 fork()（创建进程）和 getpid()（获取当前进程 ID）等系统调用函数。
#include<stdio.h>//提供 printf() 函数（用于输出信息）。
#include<stdlib.h>//提供 exit() 函数（终止进程）和 EXIT_SUCCESS/EXIT_FAILURE 等状态宏（表示进程退出状态）。
#include<err.h>static void child()//static内部函数的内部工具，不对外提供接口
{printf("I'm child!my pid is %d.\n",getpid());exit(EXIT_SUCCESS);
}
static void parent(pid_t pid_c)
{printf("I'm parent!my pid is %d and the pid of my child is %d.\n",getpid(),pid_c);exit(EXIT_SUCCESS);
}int main()
{pid_t ret;ret=fork();if(ret==-1)//创建子进程失败（如系统资源不足）。{err(EXIT_FAILURE,"fork() failure");}if(ret==0)//表示当前执行的是子进程{child();}else{parent(ret);//正整数：表示当前执行的是父进程}err(EXIT_FAILURE,"shouldn't reach here");
}

当父进程和子进程从fork()函数中恢复时，会获得fork的反沪指，fork对父进程返回子进程的ID，对与子进程返回0，编译并运行上述代码

cc -o fork fork.c
./fork

三、execve（）函数

在打算启动另一个程序时，需要调用execve()函数，我们先看一下内核在运行时的流程

1. 读取可执行文件，并读取创进程的内存映像所需的信息
2. 用新进程的数据覆盖当前进程的内存
3. 从最初命令开始运行新进程

也就是说，在启动另一个程序时，并非新增一个进程，而是替换了当前进程

接下来我们详细的说明这一流程，首先，读取可执行文件，以及创建进程的内存映像所需的信息，可执行文件中不仅能包含进程在运行中使用的代码与数据，还包含开始运行程序时所需的数据

• 代码的代码段在文件中的偏移量，大小，以及内存映像的地址
• 代码以外的变量等数据的数据段在文件中的偏移量，大小以及内存映像的起始地址
• 程序执行的第一条指令的内存地址（第一段）

与高级编程语言编写的代码不同，在CPU上执行机器语言必须提供需要的操作的内存地址，因此在代码段和数据段中必须包含内存映像的起始地址，比如使用伪代码编写下一段源代码

c=a+b

在机器语言层面，这段源代码将转变成下面直接对内存地址进行操作的指令

load m100 r0   将内存地址100（变量a）的值读取到名为r0的寄存器中
load m200 r1   将内存地址200（变量b）的值读取到名为r1的寄存器中
add r0 r1 r2   将r0与r1相加，并将结果存在r2的寄存器中
store r2 m300  将r2的值纯存在内存m300中

最后从入口执行程序

然而，Linux可执行文件的结构遵循名字为ELF（excutable and linkable format，可执行与可连接结构），ELF的相关信息可通过readelf命令来获取

西面我们可以尝试获取/bin/sleep的ELF信息

通过附件-h选项，可以获取起始地址

通过附加-S选项，可以获取代码段与数据段在文件中的偏移量，大小和起始地址

在程序运行时创建的进程的内存映像信息，可以从/proc/pid/maps这一文件中找到，sleep命令的相关信息如下

再打算新建一个别的进程时，通常采用称为fork and exec的方式，既有父进程调用fork（）创建子进程，再由子进程调用exec(),下图所示为bash进程创建echo进程的流程

#include<unistd.h>//提供系统调用接口，如fork()（创建子进程）、execve()（执行新程序）、getpid()（获取当前进程 PID）、fflush()（刷新缓冲区）。
#include<stdio.h>//提供标准输入输出函数，如printf()。
#include<stdlib.h>//提供程序退出状态定义，如EXIT_SUCCESS（成功退出，值为 0）、EXIT_FAILURE（失败退出，值为非 0）。
#include<err.h>//提供err()函数，用于简化错误处理（打印错误信息并退出程序）。
static void child() {char* args[] = {"/bin/echo", "hello", NULL};  // 传给新程序的参数列表printf("I'm child! my pid is %d.\n", getpid());  // 打印子进程PIDfflush(stdout);  // 强制刷新输出缓冲区execve("/bin/echo", args, NULL);  // 执行新程序/bin/echoerr(EXIT_FAILURE, "exec() failed");  // 如果execve失败，打印错误并退出
}
static void parent(pid_t pid_c) {printf("I'm parent! my pid is %d and the pid of my child is %d.\n", getpid(), pid_c);exit(EXIT_SUCCESS);  // 父进程正常退出
}
int main() {pid_t ret;ret = fork();  // 创建子进程if (ret == -1) {  // fork失败的情况err(EXIT_FAILURE, "fork() failure");}if (ret == 0) {  // 当前是子进程child();} else {  // 当前是父进程（ret为子进程PID）parent(ret);}err(EXIT_FAILURE, "shouldn't reach here");  // 理论上不会执行
}

1. 程序启动，main()函数调用fork()创建子进程。
2. 若fork()失败（ret == -1），调用err()打印错误并退出。
3. 若ret == 0（当前是子进程）：
   • 调用child()函数，打印子进程 PID。
   • 执行execve("/bin/echo", ...)，子进程被替换为/bin/echo程序，输出 "hello" 后退出。
4. 若ret > 0（当前是父进程，ret为子进程 PID）：
   • 调用parent(ret)函数，打印父进程 PID 和子进程 PID。
   • 调用exit(EXIT_SUCCESS)正常退出。

execve 是 Unix/Linux 系统中一个核心的系统调用，用于在当前进程中执行一个新的程序。它的作用是将当前进程的代码、数据、堆栈等全部替换为新程序的内容（进程 ID 保持不变），因此也被称为 “进程替换”

#include <unistd.h>
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);

1. const char *pathname

• 作用：指定要执行的新程序的路径（可以是绝对路径或相对路径）。
• 要求：必须是一个可执行文件（二进制文件或脚本文件，脚本文件需在首行指定解释器，如 #!/bin/bash），且当前进程对该文件有可执行权限（x 权限）。
• 示例："/bin/echo"（绝对路径）、"./myprogram"（相对路径，当前目录下的可执行文件）。

2. char *const argv[]

• 作用：传递给新程序的命令行参数数组。
• 格式要求：
  • 数组中的每个元素是一个字符串（参数），按顺序对应新程序的命令行参数。
  • 惯例上，argv[0] 是新程序的名称（通常与 pathname 的文件名一致，也可自定义）。
  • 数组必须以 NULL 结尾（标记参数列表结束）。
• 示例：在之前的代码中，char* args[] = {"/bin/echo", "hello", NULL}; 表示给 /bin/echo 程序传递参数 hello，等价于命令行执行 echo hello。

3. char *const envp[]

• 作用：传递给新程序的环境变量数组。
• 格式要求：
  • 数组中的每个元素是一个 “键 = 值” 格式的字符串（如 "PATH=/usr/bin"、"USER=root"）。
  • 数组必须以 NULL 结尾。
• 特殊情况：
  • 如果 envp 为 NULL，新程序会继承当前进程的环境变量（通过全局变量 environ 获取）。
  • 若需自定义环境变量，需显式构造该数组（例如 char* env[] = {"LANG=en_US", "DEBUG=1", NULL};）。

编译上述代码

四、结束进程

可以调用_exit()函数(底层发起exit_group()系统调用)，来结束进程，进程结束后，所有分配给进程的内存将被回收

但是我们很少会使用_exit（）函数，而是通过调用C标准库的exit()函数来结束进程的运行，在这种情况下C标准库会在调用自身的种植处理后调用_exit（）函数

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总结

本文主要时学习了进程的创建以及结束