Linux進(jìn)程基礎(chǔ)

計算機(jī)實際上可以做的事情實質(zhì)上非常簡單，比如計算兩個數(shù)的和，再比如在內(nèi)存中尋找到某個地址等等。這些最基礎(chǔ)的計算機(jī)動作被稱為指令 (instruction)。所謂的程序(program)，就是這樣一系列指令的所構(gòu)成的集合。通過程序，我們可以讓計算機(jī)完成復(fù)雜的操作。程序大多數(shù)時候被存儲為可執(zhí)行的文件。這樣一個可執(zhí)行文件就像是一個菜譜，計算機(jī)可以按照菜譜作出可口的飯菜。

那么，程序和進(jìn)程(process)的區(qū)別又是什么呢?

進(jìn)程是程序的一個具體實現(xiàn)。只有食譜沒什么用，我們總要按照食譜的指點真正一步步實行，才能做出菜肴。進(jìn)程是執(zhí)行程序的過程，類似于按照食譜，真正去做菜的過程。同一個程序可以執(zhí)行多次，每次都可以在內(nèi)存中開辟獨(dú)立的空間來裝載，從而產(chǎn)生多個進(jìn)程。不同的進(jìn)程還可以擁有各自獨(dú)立的IO接口。

操作系統(tǒng)的一個重要功能就是為進(jìn)程提供方便，比如說為進(jìn)程分配內(nèi)存空間，管理進(jìn)程的相關(guān)信息等等，就好像是為我們準(zhǔn)備好了一個精美的廚房。

看一眼進(jìn)程

首先，我們可以使用$ps命令來查詢正在運(yùn)行的進(jìn)程，比如$ps -eo pid,comm,cmd，下圖為執(zhí)行結(jié)果:

(-e表示列出全部進(jìn)程，-o pid,comm,cmd表示我們需要PID，COMMAND，CMD信息)

每一行代表了一個進(jìn)程。每一行又分為三列。第一列PID(process IDentity)是一個整數(shù)，每一個進(jìn)程都有一個唯一的PID來代表自己的身份，進(jìn)程也可以根據(jù)PID來識別其他的進(jìn)程。第二列COMMAND是這個進(jìn)程的簡稱。第三列CMD是進(jìn)程所對應(yīng)的程序以及運(yùn)行時所帶的參數(shù)。

(第三列有一些由中括號[]括起來的。它們是內(nèi)核的一部分功能，被打扮成進(jìn)程的樣子以方便操作系統(tǒng)管理。我們不必考慮它們。)

我們看第一行，PID為1，名字為init。這個進(jìn)程是執(zhí)行/bin/init這一文件(程序)生成的。當(dāng)Linux啟動的時候，init是系統(tǒng)創(chuàng)建的第一個進(jìn)程，這一進(jìn)程會一直存在，直到我們關(guān)閉計算機(jī)。這一進(jìn)程有特殊的重要性，我們會不斷提到它。

如何創(chuàng)建一個進(jìn)程

實際上，當(dāng)計算機(jī)開機(jī)的時候，內(nèi)核(kernel)只建立了一個init進(jìn)程。Linux內(nèi)核并不提供直接建立新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。剩下的所有進(jìn)程都是init進(jìn)程通過fork機(jī)制建立的。新的進(jìn)程要通過老的進(jìn)程復(fù)制自身得到，這就是fork。fork是一個系統(tǒng)調(diào)用。進(jìn)程存活于內(nèi)存中。每個進(jìn)程都在內(nèi)存中分配有屬于自己的一片空間 (address space)。當(dāng)進(jìn)程fork的時候，Linux在內(nèi)存中開辟出一片新的內(nèi)存空間給新的進(jìn)程，并將老的進(jìn)程空間中的內(nèi)容復(fù)制到新的空間中，此后兩個進(jìn)程同時運(yùn)行。

老進(jìn)程成為新進(jìn)程的父進(jìn)程(parent process)，而相應(yīng)的，新進(jìn)程就是老的進(jìn)程的子進(jìn)程(child process)。一個進(jìn)程除了有一個PID之外，還會有一個PPID(parent PID)來存儲的父進(jìn)程PID。如果我們循著PPID不斷向上追溯的話，總會發(fā)現(xiàn)其源頭是init進(jìn)程。所以說，所有的進(jìn)程也構(gòu)成一個以init為根的樹狀結(jié)構(gòu)。

如下，我們查詢當(dāng)前shell下的進(jìn)程：

root@vamei:~# ps -o pid,ppid,cmd PID PPID CMD16935 3101 sudo -i16939 16935 -bash23774 16939 ps -o pid,ppid,cmd

我們可以看到，第二個進(jìn)程bash是第一個進(jìn)程sudo的子進(jìn)程，而第三個進(jìn)程ps是第二個進(jìn)程的子進(jìn)程。

還可以用$pstree命令來顯示整個進(jìn)程樹：

init─┬─NetworkManager─┬─dhclient │ └─2*[{NetworkManager}] ├─accounts-daemon───{accounts-daemon} ├─acpid ├─apache2─┬─apache2 │ └─2*[apache2───26*[{apache2}]] ├─at-spi-bus-laun───2*[{at-spi-bus-laun}] ├─atd ├─avahi-daemon───avahi-daemon ├─bluetoothd ├─colord───2*[{colord}] ├─console-kit-dae───64*[{console-kit-dae}] ├─cron ├─cupsd───2*[dbus] ├─2*[dbus-daemon] ├─dbus-launch ├─dconf-service───2*[{dconf-service}] ├─dropbox───15*[{dropbox}] ├─firefox───27*[{firefox}] ├─gconfd-2 ├─geoclue-master ├─6*[getty] ├─gnome-keyring-d───7*[{gnome-keyring-d}] ├─gnome-terminal─┬─bash │ ├─bash───pstree │ ├─gnome-pty-helpe │ ├─sh───R───{R} │ └─3*[{gnome-terminal}]

fork通常作為一個函數(shù)被調(diào)用。這個函數(shù)會有兩次返回，將子進(jìn)程的PID返回給父進(jìn)程，0返回給子進(jìn)程。實際上，子進(jìn)程總可以查詢自己的PPID來知道自己的父進(jìn)程是誰，這樣，一對父進(jìn)程和子進(jìn)程就可以隨時查詢對方。

通常在調(diào)用fork函數(shù)之后，程序會設(shè)計一個if選擇結(jié)構(gòu)。當(dāng)PID等于0時，說明該進(jìn)程為子進(jìn)程，那么讓它執(zhí)行某些指令,比如說使用exec庫函數(shù)(library function)讀取另一個程序文件，并在當(dāng)前的進(jìn)程空間執(zhí)行 (這實際上是我們使用fork的一大目的: 為某一程序創(chuàng)建進(jìn)程)；而當(dāng)PID為一個正整數(shù)時，說明為父進(jìn)程，則執(zhí)行另外一些指令。由此，就可以在子進(jìn)程建立之后，讓它執(zhí)行與父進(jìn)程不同的功能。

子進(jìn)程的終結(jié)(termination)

當(dāng)子進(jìn)程終結(jié)時，它會通知父進(jìn)程，并清空自己所占據(jù)的內(nèi)存，并在內(nèi)核里留下自己的退出信息(exit code，如果順利運(yùn)行，為0；如果有錯誤或異常狀況，為>0的整數(shù))。在這個信息里，會解釋該進(jìn)程為什么退出。父進(jìn)程在得知子進(jìn)程終結(jié)時，有責(zé)任對該子進(jìn)程使用wait系統(tǒng)調(diào)用。這個wait函數(shù)能從內(nèi)核中取出子進(jìn)程的退出信息，并清空該信息在內(nèi)核中所占據(jù)的空間。但是，如果父進(jìn)程早于子進(jìn)程終結(jié)，子進(jìn)程就會成為一個孤兒(orphand)進(jìn)程。孤兒進(jìn)程會被過繼給init進(jìn)程，init進(jìn)程也就成了該進(jìn)程的父進(jìn)程。init進(jìn)程負(fù)責(zé)該子進(jìn)程終結(jié)時調(diào)用wait函數(shù)。

當(dāng)然，一個糟糕的程序也完全可能造成子進(jìn)程的退出信息滯留在內(nèi)核中的狀況（父進(jìn)程不對子進(jìn)程調(diào)用wait函數(shù)），這樣的情況下，子進(jìn)程成為僵尸（zombie）進(jìn)程。當(dāng)大量僵尸進(jìn)程積累時，內(nèi)存空間會被擠占。