4 Linux 进程管理

4.4 Linux 进程的创建和撤销

4.4.1 Linux 进程的族亲关系

1、进程树

在系统加电启动后,系统只有一个进程，它就是由系统创建的初始进程，又称 init 进程。

Init 进程的任务结构体名字为 init_task。Init 进程是系统中所有进程的祖先进程，进程标识号 PID 为 1。

进程之间的父子关系
进程之间的兄弟关系：按照创建时间确定，先者为兄，后者为弟；

2、 Linux 进程的族亲关系
在每个进程的任务结构体中设置了 5 个成员项指针：

Struct task_struct *p_opptr /*指向祖先进程任务结构体指针*/
Struct task_struct *p_pptr /*指向父进程任务结构体指针*/
Struct task_struct *p_cptr /*指向子进程任务结构体指针*/
Struct task_struct *p_ysptr /*指向弟进程任务结构体指针*/
Struct task_struct *p_osptr /*指向兄进程任务结构体指针*/

在任务结构体中只有一个指向子进程指针，它指向该进程子进程中最年轻的一个，其他子进程通过兄弟关系指针与父进程的关系。

4.4.2 Linux 进程的创建

Linux 中，除 init 进程是启动时由系统创建的，其他进程都是由当前进程使用系统调用 fork（）创建的。

👉子进程被创建后，通常要继承（共享）父进程所有的资源。包括虚拟存储空间的内容、打开的文件、专用的信号处理程序等。
👉写时拷贝（copy on write）技术：子进程和父进程共享同一个虚拟空间，只是这两个进程中某个进程需要虚拟内存写入时，这时才建立属于该进程的那部分虚拟空间，并把原虚拟空间的那部分内容拷贝到新建的虚拟内存区域中，然后在新建的属于自己的虚拟空间区域中写入信息。 这样既可以使子进程继承父进程的资源，又可以在需要时建立自己的存储空间，避免子进程存储空间的无谓浪费，有效地节省了系统时间。
👉 父进程和子进程在“分裂”后，运行时都在继续执行 fork（）程序的代码。但是为了区分两个进程：父进程执行完 fork（）时返回值是子进程的 PID 值；而子进程执行 fork（）的返回值是 0。

#include <sys/typex.h>
#include <unisd.h>
Main()
{
Pid_t val;
Printf(“PID before fork():%d\n”,(int) getpid());
Val=fork();
If(val!=0)
Printf(“parent process PID:%d\n”,(int) getpid());
Else
Printf(“child process PID:%d\n”,(int) getpid());
}
程序执行结果：
PID before fork(): “此时父进程的 PID”
parent process PID: “此时父进程的 PID”
child process PID: “此时子进程的 PID”

fork()进程的“分裂”过程

4.4.3 Linux 进程创建的过程

Linux 中进程都是由当前进程使用系统调用 fork（）创建的，而实际上是 fork（）中进一步调用内核函数 do_fork（）来完成的。Fork（）的源代码定义在/kernel/fork.c 中。下面给出 do_fork（）内核函数的主要功能：

1）在内存空间为新进程（子进程）分配任务结构体使用的空间，然后把当前进程（父进程）的任务结构体的所有内容拷贝到子进程的任务结构体中。
2）为新进程在其虚拟内存建立内核堆栈。虽然子进程共享父进程的虚拟空间，但是两个进程在进入核心态后必须有自己独立的内核堆栈。
3）对子进程任务结构体中的部分内容进行初始化设置，例如进程的链接关系（族亲关系）等，主要是与父进程不同的那些数据。
4）把父进程的资源管理信息拷贝给子进程，如虚拟内存信息、文件信息、信号信息等，前面说过，这里的拷贝是建立两个进程对这些资源的共享关系。
5）把子进程加入可运行队列中，由调度进程在适当的时机调度运行，也就是在这个时候，当前进程分裂为两个进程。
6）无论哪个进程使用 CPU 运行，都继续执行 do_fork()函数的代码，执行结束后返回它们各自的返回值。

从以上过程可以看出，do_fork()函数的功能首先是建立子进程的任务结构体和对其进行初始化，然后继承父进程资源，最后设置进程的时间片并把它加入可运行队列。

4.4.4 Linux 进程的执行

1、 系统调用 系统调用 exec（）
在系统中创建一个进程的目的是需要该进程完成一定的任务，通过执行它实现所需的功能。在 Linux系统中，使进程执行的唯一方法是使用系统调用 exec（）。
Exec（）由多种使用形式，它们只是在参数上不同，而功能相同。下面介绍一种最常用的形式：

int execl（path，arg0，…，argn，（char*）0）
char *path，*arg0，…，*argn；

👉Path： 指出要执行的程序文件的完整路径名。
👉arg0： 指出要执行的程序文件的文件名。
👉Arg1，…，argn：程序的参数，这些参数的个数可以不同。
👉该系统调用将引起另一个程序的执行，故它成功调用后不需返回，只有在调用失败时，返回值 -1；

例：在程序运行中要执行 linux 命令“ls –l”，程序编制如下：
#include <stdio.h>
Main()
{
Execl(“/bin/ls”,”ls”,”-l”,0); /*调用成功，则执行 ls 命令*/
Printf(“can only get here on error/n”); /*出错时，返回该程序，显示错误信息*/
}

2．子进程执行新的程序
一个进程使用 fork（）建立子进程后，让子进程执行另外一个程序的方法也是通过使用 exec（）系统调用。程序的一般形式为：

Main（）
{
Pid_t val;
Val =fork();
If(val!=0)
{
…….. /*执行父进程的语句*/
}
Else
{
exec（…..）； /*执行程序*/
}
……..
Exit（1）；
}

Linux 采用“写时拷贝”技术，所以子进程在创建时是共享父进程的正文段和数据段，但是在执行 exec（）时，子进程将建立自己的虚拟空间，并把参数 arg0 制定的可执行程序映像装入子进程的虚拟空间，这是就形成了子进程自己的正文段和数据段。

4.4.5 Linux 进程的终止和撤销

进程终止的两种情况：

👉进程完成自身的任务而自动终止：方法 1，使用系统调用 exit（）显示终止进程；方法 2，执行到程序的 main（）的结尾而隐式地终止进程。
👉进程被内核强制终止：如进程运行出现致命错误，或者收到不能处理的信号时。

1、进程的终止 exit（）
Linux 中终止进程是通过调用内核函数 do_exit()实现的，该函数定义在 kernel/exit.c 中。下面结合do_exit()函数的部分源代码对进程终止和撤销的过程说明如下：
1）函数首先设定当前进程的标志，即任务结构体的 flags 成员项设定为 PF_EXITING，表示该进程将要终止

Current->flags = PF_EXITING;

2. 释放系统中该进程在各个管理队列中的任务结构体。

Del_timer(&current->real_timer);/*从动态计时器系列中释放该进程的任务结构体*/
Sem_exit(); /*从 IPC 进程间通信的信号量机制中释放该进程的任务结构体*/

3）释放进程使用的各种资源。

Kerneld_exit(); /*释放内核*/
_exit_mm(current); /*释放虚拟空间*/
_exit_files(current); /*释放打开的文件*/
_exit_fs(current); /*释放 fs 结构体*/
_exit_sighand(current); /*释放信号*/
Exit_thread(); /*释放线程*/

4）把进程的状态设置为僵死状态。

Current->state = TASK_ZOMBIE；

5）把退出码置入任务结构体。

Current->exit_code =code;/*正常退出时，退出码为 0；异常退出时，为非 0 值，通常是错误编号*/

6）变更进程族亲关系。

Exit_notify();/*把要撤销的进程的子进程的父进程赋予 init 进程*/

7）执行进程调度，选择下一个使用 CPU 的进程。

Schedule();