UNIX环境高级编程—

8.1 引言

本章介绍UNIX系统的进程控制，包括：

创建新进程、执行程序、进程终止
进程属性ID——实际、有效、保存的用户ID和组ID
解释器文件
system函数
进程会计机制

8.2 进程标识

进程ID：一个非负整数，进程的唯一标识。

进程ID可复用：当某个进程终止后，它的进程ID可被之后创建的进程复用；
几个专用进程：
（1）进程ID为0的是调度进程，也称交换进程，它是内核中的系统进程；
（2）进程ID为1的是init进程，此进程负责在自举内核后启动一个UNIX系统，init进程绝不会终止，它是一个以超级用户特权运行的普通用户进程；
（3）进程ID为2的是页守护进程，负责支持虚拟存储器系统的分页操作。

UNIX系统提供了返回进程某些标识符的函数：

#include <unistd.h>

pid_t getpid(void);
										// 返回值：调用进程的进程ID
pid_t getppid(void);
										// 返回值：调用进程的父进程ID
uid_t getuid(void);
										// 返回值：调用进程的实际用户ID
uid_t geteuid(void);
										// 返回值：调用进程的有效用户ID
gid_t getgid(void);
										// 返回值：调用进程的实际组ID
gid_t getegid(void);
										// 返回值：调用进程的有效组ID

8.3 函数fork

fork函数用于创建一个新进程：

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);
										// 子进程返回0，父进程返回子进程ID；若出错，返回-1

fork调用一次，返回两次，子进程返回0，父进程返回子进程ID；
一个进程的子进程可以有多个，但父进程只有一个；
子进程是父进程的副本，子进程得到父进程的数据空间、堆和栈的副本，子进程和父进程共享正文段；
由于在fork之后经常跟随着exec，所以很多实现并不执行一个父进程数据段、栈和堆的完全副本，而是采用写时复制（Copy-On-Write，COW）技术，这些区域由父进程和子进程共享，且内核将它们的访问权限改为只读，如果父进程和子进程中的任一个试图修改这些区域，则内核只为修改区域的那块内存制作一个副本，通常是虚拟内存系统中的“一页”；
fork之后是父进程还是子进程先执行是不确定的；
父进程的所有打开文件描述符都被复制到子进程，每个相同的打开描述符共享一个文件表项；

8.4 函数vfork

vfork函数的调用序列和返回值与fork相同，但二者语义不同：

vfork用于创建一个新进程，该新进程的目的是执行一个新程序，vfork不会将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec（或exit），所以也就不会引用该地址空间，不过子进程在调用exec或exit前，它在父进程的空间中执行；
vfork保证子进程先运行，在它exec或exit之后父进程才可能被调度运行，当子进程调用这两个函数中的任意一个时，父进程会恢复运行。

8.5 函数exit

进程有5种正常终止及3种异常终止方式。

5种正常终止方式：

在main函数内执行return语句，等效于调用exit；
调用exit函数；
调用_exit或_Exit函数；
进程的最后一个线程在其启动例程中执行return语句，但该线程的返回值不用作进程的返回值，进程以终止状态0返回；
进程的最后一个线程调用pthread_exit函数，进程以终止状态0返回。

3种异常终止方式：

调用abort，产生SIGABRT信号；
当进程接收到某些信号，信号可由进程自身（如调用abort函数）、其他进程或内核产生；
最后一个线程对“取消”请求做出响应，默认情况下，“取消”以延迟方式产生：一个线程要求取消另一个线程，若干时间后，目标线程终止。

关于父进程、子进程先后终止的两种情况：

对于父进程已经终止的所有进程，它们的父进程都改变为init进程，称这些进程由init进程收养；
内核为每个终止子进程保存了一定量的信息，所以当终止进程的父进程调用wait或waitpid时，可以得到这些信息；
一个已经终止、但是其父进程尚未对其进行善后处理（获取终止子进程的有关信息、释放它仍占用的资源）的进程被称为僵死进程；
只要有一个由init收养的子进程终止，init就会调用一个wait函数取得其终止状态，所以init的子进程永远不会成为僵死进程。

8.6 函数wait和waitpid

当一个进程正常或异常终止时，内核就向其父进程发送SIGCHLD信号，因为子进程终止是个异步事件（这可能在父进程运行的任何时候发生），所以这种信号也是内核向父进程发送的异步通知。

调用wait或waitpid的进程可能会：

如果其所有子进程都还在运行，则阻塞；
如果一个子进程已终止，正等待父进程获取其终止状态，则取得该子进程的终止状态立即返回；
如果它没有任何子进程，则立即出错返回。

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *statloc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);
										// 两个函数返回值：若成功，返回进程ID；若出错，返回0或-1

wait函数等待任一终止子进程：

如果子进程已经终止，并且是一个僵死进程，则wait立即返回并取得该子进程的状态；否则wait使其调用者阻塞，直到一个子进程终止。如果调用者阻塞而且它有多个子进程，则在其某一个子进程终止时，wait就立即返回其终止子进程的进程ID；
参数statloc是一个整型指针，若不为空，则终止进程的终止状态存放其中，若不关心终止状态，可将该指针指定为空指针；终止状态用定义在<sys/wait.h>中的各个宏来查看，有4个互斥的宏可用来取得进程终止的原因，基于这4个宏中哪一个值为真，就可选用其他宏来取得退出状态、信号编号等：

waitpid函数等待一个特定的进程，其pid参数的作用解释如下：

pid == -1：等待任一子进程，等效于wait；
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：等待组ID等于pid绝对值的任一子进程。

options参数可进一步控制waitpid的操作，此参数或者是0，或者是下面常量按位或运算的结果：
在这里插入图片描述
waitpid函数提供了wait函数没有提供的3个功能：

waitpid函数可等待一个特定进程，而wait则返回任一终止子进程的状态；
waitpid提供了一个wait的非阻塞版本；
waitpid通过WUNTRACED和WCONTINUED选项支持作业控制。

8.7 函数waitid

waitid函数也用于获取进程终止状态，它比waitpid更灵活：

#include <sys/wait.h>

int waitid(idtype_t idtype, id_t id, siginfo_t *infop, int options);
										// 返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

id参数指定要等待的子进程，它的作用与idtype的值有关：
options参数是下图中个标志的按位或运算，这些标志指示调用者关注哪些状态变化，且WCONTINUED、WEXITED或WSTOPPED这3个常量之一必须在options参数中指定；
infop参数是指向siginfo结构的指针，该结构包含了造成子进程状态改变有关信号的详细信息。

8.8 函数wait3和wait4

wait3和wait4函数提供了获取终止进程及其所有子进程使用资源概况的功能，资源统计信息包括用户CPU时间总量、系统CPU时间总量、缺页次数、接收到信号的次数等。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>

pid_t wait3(int *statloc, int options, struct rusage *rusage);
pid_t wait4(pid_t pid, int *statloc, int options, struct rusage *rusage);
										// 两个函数返回值：若成功，返回进程ID；若出错，返回-1

8.9 竞争条件

当多个进程都企图对共享数据进行某种处理，而最后的结果又取决于进程运行的顺序时，就发生了竞争条件。

8.10 函数exec

fork函数创建子进程后，子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序，有7种exec函数可供使用：

#include <unistd.h>

int execl(const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *)0 */);
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execle(const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *)0, char *const envp[] */);
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);
int execlp(const char *filename, const char *arg0, ... /* (char *)0 */);
int execvp(const char *filename, char *const argv[]);
int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const envp[]);
										// 7个函数返回值：若出错，返回-1；若成功，不返回

这些函数之间的第一个区别是前4个函数取路径名作为参数，后两个函数则取文件名作为参数，最后一个取文件描述符作为参数。当指定filename作为参数时：

如果filename种包含/，则就将其视为路径名；
否则就按PATH环境变量，在它所指定的各目录中搜寻可执行文件。

第二个区别与参数表的传递有关（l表示列表list，v表示矢量vector），函数execl、execlp和execle要求将新程序的每个命令行参数都说明为一个单独的参数，这种参数表以空指针结尾；对于另外4个函数（execv、execvp、execve和fexecve），则应先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组地址作为这4个函数的参数；

最后一个区别与向新程序传递环境表相关，以e结尾的3个函数（execle、execve和fexecve）可以传递一个指向环境字符串指针数组的指针，其他4个函数则使用调用进程中的environ变量为新程序复制现有的环境。

7个exec函数的参数记忆方法：

字母p表示该函数取filename作为参数，并且用PATH环境变量寻找可执行文件；
字母l表示该函数取一个参数表，它与字母v互斥；
字母v表示该函数取一个argv[]矢量；
字母e表示该函数取envp[]数组，而不使用当前环境。

exec新程序对打开文件的处理与每个描述符的执行时关闭（close-on-exec）标志值有关，进程中每个打开描述符都有一个执行时关闭标志（FD_CLOEXEC）标志，若设置了此标志，则在执行exec时关闭该描述符。

在很多UNIX实现中，这7个函数中只有execve是内核的系统调用，另外6个只是库函数，它们最终都要调用execve，这7个函数之间的关系如下：
在这里插入图片描述

8.11 更改用户ID和更改组ID

setuid函数设置实际用户ID和有效用户ID，setgid函数设置实际组ID和有效组ID：

#include <unistd.h>

int setuid(uid_t uid);
int setgid(gid_t gid);
										// 两个函数返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

更改用户ID的规则（关于用户ID所说明的一切适用于组ID）：

若进程具有超级用户特权，则setuid函数将实际用户ID、有效用户ID以及保存的设置用户ID设置为uid；
若进程没有超级用户特权，但是uid等于实际用户ID或保存的设置用户ID，则setuid只将有效用户ID设置为uid，不更改实际用户ID和保存的设置用户ID；
如果上述两个条件都不满足，则errno设置为EPERM，并返回-1。

关于内核所维护的3个用户ID的注意事项：

只有超级用户进程可以更改实际用户ID；
仅当程序文件设置了设置用户ID位时，exec函数才设置有效用户ID；
保存的设置用户ID是由exec复制有效用户ID而得到的。

下图总结了更改这3个用户ID的不同方法：
在这里插入图片描述
setreuid函数功能是交换实际用户ID和有效用户ID的值：

#include <unistd.h>

int setreuid(uid_t ruid, uid_t euid);
int setregid(gid_t rgid, gid_t egid);
										// 两个函数返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

如若两个参数中任一个的值为-1，则表示相应的ID保持不变。

seteuid和setegid函数用于更改有效用户ID和有效组ID：

#include <unistd.h>

int seteuid(uid_t uid);
int setegid(gid_t gid);
										// 两个函数返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

一个非特权用户可将其有效用户ID设置为实际用户ID或保存的设置用户ID；
一个特权用户可将有效用户ID设置为uid。

更改3个不同用户ID函数之间的关系：
在这里插入图片描述

8.12 解释器文件

解释器文件是一个文本文件，其起始行的形式是：

#! pathname [optional-argument]

在感叹号和pathname之间的空格和optional-argument都是可选的，最常见的解释器文件以下列行开始：

! /bin/sh

pathname通常是绝对路径名，对它不进行什么特殊的处理（不使用PATH进行路径搜索）；
内核使调用exec函数的进程实际执行的并不是该解释器文件，而是在该解释器文件第一行中pathname所指定的文件。

8.13 函数system

system函数用于在程序中执行一个命令字符串：

#include <stdlib.h>

int system(const char *cmdstring);

如果cmdstring是一个空指针，则仅当命令处理程序可用时，system返回非0值，这一特征可以确定在一个给定的操作系统上是否支持system函数，在UNIX种，system总是可用的；
system在其实现中调用了fork、exec和waitpid，因此有3种返回值：
（1）fork失败或者waitpid返回除EINTR之外的出错，则system返回-1，并且设置errno以指示错误类型；
（2）如果exec失败（表示不能执行shell），则其返回值如同shell执行了exit(127)；
（3）否则所有3个函数（fork、exec和waitpid）都成功，那么system的返回值是shell的终止状态。

8.14 进程会计

大多数UNIX系统提供了一个选项以进行进程会计处理，启用该选项后，每当进程结束时内核就写一个会计记录，典型的会计记录包含总量较小的二进制数据，一般包括命令名、所使用的CPU时间总量、用户ID和组ID、启动时间等。

8.15 用户标识

系统通常记录用户登陆时使用的名字，用getlogin函数可以获取此登录名：

#include <unistd.h>

char *getlogin(void);
										// 返回值：若成功，返回指向登录名字符串的指针；若出错，返回NULL

8.16 进程调度

进程可以通过调整友好值选择以更低优先级运行，只有特权进程允许提高调度权限；
Single UNIX Specification 中友好值的范围：0~(2*NZERO-1），NZERO是系统默认的友好值，默认20；
友好值越小，优先级越高。

进行可以通过nice函数获取或更改它的友好值：

#include <unistd.h>

int nice(int incr);
										// 返回值：若成功，返回新的友好值；若出错，返回-1

incr参数被增加到调用进程的友好值上；
如果incr太大，系统直接把它降到最大合法值，不给出提示；如果太小，也会把它调整到最小合法值；
由于-1是合法的成功返回值，在调用nice函数之前需要清除errno，在nice函数返回-1时，需要检查它的值；
进程只能影响自己的友好值，不能影响任何其他进程的友好值。

getpriority函数可以用于获取进程、一组相关进程的友好值：

#include <sys/resource.h>

int getpriority(int which, id_t who);
										// 返回值：若成功，返回-NZERO~NZERO-1之间的友好值；若出错，返回-1

which参数可取值：PRIO_PROCESS表示进程，PRIO_PGRP表示进程组，PRIO_USER表示用户ID；
who参数含义由which参数决定：
（1）如果who参数为0，表示调用进程、进程组或者用户（取决于which参数的值）；
（2）当which设为PRIO_USER并且who为0时，使用调用进程的实际用户ID；
（3）如果which参数作用于多个进程，则返回所有作用进程中优先级最高的（最小的友好值）。

setpriority函数用于为进程、进程组和属于特定用户ID的所有进程设置优先级：

#include <sys/resource.h>

int setpriority(int which, id_t who, int value);
										// 返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

参数which和who与getpriority函数中相同；
value增加到NZERO上，然后变为新的友好值。

8.17 进程时间

任一进程都可调用times函数获得它自己以及已终止子进程的墙上时钟时间、用户CPU时间和系统CPU时间：

#include <sys/times.h>

clock_t times(struct tms *buf);
									// 返回值：若成功，返回流逝的墙上时钟时间（以时钟滴答数为单位）；若出错，返回-1

此函数填写由buf指向的tm结构：

struct tms {
	clock_t		tms_utime;	// 用户CPU时间
	clock_t 	tms_stime;		// 系统CPU时间
	clock_t		tms_cutime;	// 终止子进程的用户CPU时间
	clock_t		tms_cstime;	// 终止子进程的系统CPU时间
};