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當你在Linux上啟動一個進程時會發生什么?

發布時間:2018-01-19 21:12:00來源:jessie-pang作者:linux.cn
本文是關于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的。你或許已經知道,也有人還不知道。幾年前當我了解到這些時,我驚嘆不已。
我們要做的是啟動一個進程。我們已經在博客上討論了很多關于系統調用的問題,每當你啟動一個進程或者打開一個文件,這都是一個系統調用。所以你可能會認為有這樣的系統調用:
start_process(["ls", "-l", "my_cool_directory"])
這是一個合理的想法,顯然這是它在 DOS 或 Windows 中的工作原理。我想說的是,這并不是 Linux 上的工作原理。但是,我查閱了文檔,確實有一個 posix_spawn 的系統調用基本上是這樣做的,不過這不在本文的討論范圍內。
 
fork 和 exec
Linux 上的 posix_spawn 是通過兩個系統調用實現的,分別是 fork 和 exec(實際上是 execve),這些都是人們常常使用的。盡管在 OS X 上,人們使用 posix_spawn,而 fork 和 exec 是不提倡的,但我們將討論的是 Linux。
Linux 中的每個進程都存在于“進程樹”中。你可以通過運行 pstree 命令查看進程樹。樹的根是 init,進程號是 1。每個進程(init 除外)都有一個父進程,一個進程都可以有很多子進程。
所以,假設我要啟動一個名為 ls 的進程來列出一個目錄。我是不是只要發起一個進程 ls 就好了呢?不是的。
我要做的是,創建一個子進程,這個子進程是我(me)本身的一個克隆,然后這個子進程的“腦子”被吃掉了,變成 ls。
開始是這樣的:
my parent
 |- me
然后運行 fork(),生成一個子進程,是我(me)自己的一份克。
my parent
 |- me
  |-- clone of me
然后我讓該子進程運行 exec("ls"),變成這樣:
my parent
 |- me
  |-- ls
當 ls 命令結束后,我幾乎又變回了我自己:
my parent
 |- me
  |-- ls (zombie)
在這時 ls 其實是一個僵尸進程。這意味著它已經死了,但它還在等我,以防我需要檢查它的返回值(使用 wait 系統調用)。一旦我獲得了它的返回值,我將再次恢復獨自一人的狀態。
my parent
 |- me
 
fork 和 exec 的代碼實現
如果你要編寫一個 shell,這是你必須做的一個練習(這是一個非常有趣和有啟發性的項目。Kamal 在 Github 上有一個很棒的研討會:https://github.com/kamalmarhubi/shell-workshop)。
事實證明,有了 C 或 Python 的技能,你可以在幾個小時內編寫一個非常簡單的 shell,像 bash 一樣。(至少如果你旁邊能有個人多少懂一點,如果沒有的話用時會久一點。)我已經完成啦,真的很棒。
這就是 fork 和 exec 在程序中的實現。我寫了一段 C 的偽代碼。請記住,fork 也可能會失敗哦。
int pid = fork();
// 我要分身啦
// “我”是誰呢?可能是子進程也可能是父進程
if (pid == 0) {
// 我現在是子進程
// “ls” 吃掉了我腦子,然后變成一個完全不一樣的進程
exec(["ls"])
} else if (pid == -1) {
// 天啊,fork 失敗了,簡直是災難!
} else {
// 我是父進程耶
// 繼續做一個酷酷的美男子吧
// 需要的話,我可以等待子進程結束
}
 
上文提到的“腦子被吃掉”是什么意思呢?
進程有很多屬性:
打開的文件(包括打開的網絡連接)
環境變量
信號處理程序(在程序上運行 Ctrl + C 時會發生什么?)
內存(你的“地址空間”)
寄存器
可執行文件(/proc/$pid/exe)
cgroups 和命名空間(與 Linux 容器相關)
當前的工作目錄
運行程序的用戶
其他我還沒想到的
當你運行 execve 并讓另一個程序吃掉你的腦子的時候,實際上幾乎所有東西都是相同的!你們有相同的環境變量、信號處理程序和打開的文件等等。
唯一改變的是,內存、寄存器以及正在運行的程序,這可是件大事。
 
為何 fork 并非那么耗費資源(寫入時復制)
你可能會問:“如果我有一個使用了 2GB 內存的進程,這是否意味著每次我啟動一個子進程,所有 2 GB 的內存都要被復制一次?這聽起來要耗費很多資源!”
事實上,Linux 為 fork() 調用實現了寫時復制,對于新進程的 2GB 內存來說,就像是“看看舊的進程就好了,是一樣的!”。然后,當如果任一進程試圖寫入內存,此時系統才真正地復制一個內存的副本給該進程。如果兩個進程的內存是相同的,就不需要復制了。
 
為什么你需要知道這么多
你可能會說,好吧,這些細節聽起來很厲害,但為什么這么重要?關于信號處理程序或環境變量的細節會被繼承嗎?這對我的日常編程有什么實際影響呢?
有可能哦!比如說,在 Kamal 的博客上有一個很有意思的 bug。它討論了 Python 如何使信號處理程序忽略了 SIGPIPE。也就是說,如果你從 Python 里運行一個程序,默認情況下它會忽略 SIGPIPE!這意味著,程序從 Python 腳本和從 shell 啟動的表現會有所不同。在這種情況下,它會造成一個奇怪的問題。
所以,你的程序的環境(環境變量、信號處理程序等)可能很重要,都是從父進程繼承來的。知道這些,在調試時是很有用的。
 
linux下用fork和kill來實現7*24進程:http://www.1851002.live/linux/27898.html
linux c之創建進程fork和vfork函數之間的區別:http://www.1851002.live/linux/27831.html
函數fork()與vfork()的對比:http://www.1851002.live/linux/26657.html
經典的Fork解析:http://www.1851002.live/linux/12690.html
Linux進程之Fork函數:http://www.1851002.live/linux/11154.html
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