Linux系统编程——进程标识、进程创建

一、进程标识（pid）

  每个进程都有一个非负整数形式的唯一编号，即 PID。PID 在任何时刻都是唯一的，但是可以重用，当进程终止并被回收以后，其 PID 就可以为其它进程所用。进程的 PID 由系统内核根据延迟重用算法生成，以确保新进程的 PID 不同于最近终止进程的 PID。

1、特殊的进程标识

0 号进程，调度进程：通常是调度进程，常常被称为交换进程（swapper）。该进程是内核的一部分，所有进程的根进程，它并不执行任何磁盘上的程序，因此也被称为系统进程。
1 号进程，init进程：通常是 init 进程，在自举过程结束时由内核调用。
2号进程，页守护进程：负责虚拟内存系统的分页操作。

2、获取进程标识

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void); 返回：调用进程的进程 ID
pid_t getppid(void); 返回：调用进程的父进程 ID
uid_t getuid(void); 返回：调用进程的实际用户 ID
uid_t geteuid(void); 返回：调用进程的有效用户 ID
gid_t getgid(void); 返回：调用进程的实际组 ID
gid_t getegid(void); 返回：调用进程的有效组 ID
注意，这些函数都没有出错返回

二、进程创建（fork）和父子进程

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

1、函数功能

  fork()主要用于以复制正在调用进程的方式去创建一个新的进程，新进程叫做子进程，原来的进程叫做父进程。

2、与fork()相关的一些问题

（1）由 fork()创建的新进程被称为子进程。fork()函数调用一次，但返回两次。两次返回的区别是：子进程的返回值是 0，而父进程的返回值则是新建子进程的进程 ID。通过fork()的返回值来区别父子进程，如果出错返回-1。

（2）调用fork()前的代码只有父进程执行，fork()成功返回后的代码，父子进程都会执行。

（3）将新建子进程 ID 返回给父进程的理由：因为一个进程的子进程可以有多个，并且没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的 ID。

（4）fork 使子进程得到返回值 0 的理由：一个进程只会有一个父进程，所以子进程总是可以调用 getppid 以获得其父进程的进程 ID（进程 ID 0 总是由内核交换进程使用，所以一个子进程的进程 ID 不可能为 0）。

（5）调用fork()出错的原因：系统中已经存在太多的进程；调用函数fork()的用户进程太多。

3、fork()写时复制

  子进程是父进程的不完全副本。子进程的数据区、bbs区、堆栈区（包括 I/O 流缓冲区），甚至参数和环境区都从父进程拷贝，唯有代码区与父进程共享。 因为，代码区是可执行指令 、字面值常量 、具有常属性且被 初始化的全局、静态全局 和 静态局部变量。
  传统的fork()系统调用直接把所有的资源复制给新创建的进程，这种实现过于简单并且效率低下。Linux的fork()使用写时拷贝(copy-on-write)页实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个进程的地址空间，而是让父子进程共享同一个地址空间。只在需要写入的时候才会复制地址空间，从而使各个进程拥有各自的地址空间。也就是说，资源的复制是在需要写入的时候才会进行，在此之前，只有以只读方式共享。只有进程空间的各段的内容要发生变化时，才会将父进程的内容复制一份给子进程。

4、文件共享

  在重定向父进程的标准输出时，子进程的标准输出也被重定向了。fork的一个特性是进程的所有打开文件描述符都被复制到子进程中。在 fork 之后处理文件描述符有以下两种常用的操作模式：

        1. 父进程等待子进程完成：在这种情况下，父进程无需对其描述符做任何处理。当子进程终止后，它曾进行过读、写操作的任一共享描述符的文件偏移量已做了相应更新。
        2. 父进程和子进程各自执行不同的程序段：在这种情况下，在 fork 之后，父进程和子进程各自关闭它们不需使用的文件描述符，这样就不会干扰对方使用的文件描述符。这种方法是网络服务进程经常使用的。

5、父进程和子进程之间的区别

• fork 的返回值不同，子进程返回 0， 而父进程返回新建子进程 ID。
• 进程 ID 不同。
• 这两个进程的父进程 ID 不同：子进程的父进程 ID 是创建它的进程的 ID，而父进程的父进程 ID 则不变。
• 子进程的tms_utime , tms_stime , tms_cutime以及tms_ustime设置为0。
• 子进程不继承父进程设置的文件锁。
• 子进程的未处理闹钟被清除。
• 子进程的未处理信号集设置为空集。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t pid;// fork函数被调用一次，但返回两次；在父进程中返回子进程的pid，子进程返回0pid = fork(); // 产生父子进程if (pid > 0) // 父进程执行代码段{while(1){printf("I am parent\n");printf("my pid = %d",getpid());printf("my parent pid = %d",getpid());sleep(1);}}else if (pid == 0) // 子进程执行代码段{while(1){printf("I am child\n");printf("my pid = %d",getpid());printf("my parent pid = %d",getppid());sleep(3);}}else{perror("fork"); //打印出错信息exit(1);}return 0;
}

三、fork()，vfork()和clone()的区别

1、进程四要素

• 有一段程序供其执行（不一定是一个进程所专有的），就像一场戏必须有自己的剧本。
• 有自己的专用系统堆栈空间（私有财产）。
• 有进程控制块（task_struct）（“有身份证，PID”）。
• 有独立的存储空间。

缺少第四条的称为线程，如果完全没有用户空间称为内核线程，共享用户空间的称为用户线程。

2、fork()

  fork()使用写时拷贝(copy-on-write)页实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个进程的地址空间，而是让父子进程共享同一个地址空间。只在需要写入的时候才会复制地址空间，从而使各个进程拥有各自的地址空间。

3、vfork()

  vfork也是创建一个子进程，但是子进程共享父进程的空间。在vfork创建子进程之后，父进程阻塞，直到子进程执行了exec()或者exit()。

  vfork创建出来的不是真正意义上的进程，而是一个线程，因为它缺少第四个要素：独立的内存资源。

  另外由vfork创建的子进程要先于父进程执行，子进程执行时，父进程处于挂起状态，子进程执行完，唤醒父进程。除非子进程exit或者execve才会唤起父进程。

4、clone()

  clone是Linux为创建线程设计的（虽然也可以用clone创建进程）。所以可以说clone是fork的升级版本，不仅可以创建进程或者线程，还可以指定创建新的命名空间（namespace）、有选择的继承父进程的内存、甚至可以将创建出来的进程变成父进程的兄弟进程等等。

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

  clone和fork最大不同在于clone不再复制父进程的栈空间，而是自己创建一个新的。 （void *child_stack）也就是第二个参数，需要分配栈指针的空间大小，所以它不再是继承或者复制，而是全新的创造。

四、孤儿进程与僵尸进程

1、父进程和子进程的关系

一个父进程可以创建多个子进程，但每个子进程最多只能有一个父进程。整个系统中只有一个根进程，即 PID 为 0  的调度进程。系统中的所有进程构成了一棵以调度进程为根的进程树。

2、父进程和子进程之间的区别

fork 的返回值不同，子进程返回 0， 而父进程返回新建子进程 ID。
进程 ID 不同
这两个进程的父进程 ID 不同：子进程的父进程 ID 是创建它的进程的 ID，而父进程的父进程 ID 则不变。
子进程的tms_utime , tms_stime , tms_cutime以及tms_ustime设置为0。
子进程不继承父进程设置的文件锁。
子进程的未处理闹钟被清除。
子进程的未处理信号集设置为空集。

3、孤儿进程

  父进程创建子进程以后，子进程在操作系统的调度下与其父进程同时运行。如果父进程先于子进程终止，子进程即成为孤儿进程，同时被 init 进程收养，即成为 init 进程的子进程，因此 inti 进程又被成为孤儿院进程。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main (void)
{pid_t pid;if ((pid = fork ()) < 0)perror ("fork"), exit (1);else if (pid == 0){sleep (3); // 子进程被暂停三秒，所以当父进程退出后子进程仍然未退出。printf ("这是子进程 pid = %d", getpid ());printf ("父进程的 ppid = %d\n",  getppid ());}else {printf ("这是父进程 ppid = %d\n", getpid ());}return 0;
}

4、僵尸进程

  如果子进程先于父进程终止，但父进程由于某种原因，没有回收子进程的退出状态，子进程即成为僵尸进程。
  僵尸进程虽然已经不再活动，但其终止状态仍然保留，也会占用系统资源，直到被其父进程回收才得以释放。
  如果父进程直到终止都未回收它的已成僵尸的子进程，init 进程会立即收养并回收这些处于僵尸状态的子进程，因此一个进程不可能既是孤儿进程同时又是僵尸进程。
  一个进程成为僵尸进程需要引起注意，如果它的父进程长期运行而不终止，僵尸进程所占用的资源将长期得不到释放。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main (void)
{pid_t pid;pid = fork ();if  (pid == -1)perror ("fail to fork"), exit (1);else if (pid == 0){printf ("这是子进程 pid = %d", getpid ());printf ("父进程的 ppid = %d\n",  getppid ());}else{// 父进程休眠了十秒，而在这期间，子进程已经退出了，//子进程就形成了一段时间的僵尸进程。sleep (10); printf ("这是父进程 ppid = %d\n", getpid ());}return 0;
}