09-进程

2.7　进程

简而言之，进程是正在执行的程序实例。执行程序时，内核会将程序代码载入虚拟内存，为程序变量分配空间，建立内核记账（bookkeeping）数据结构，以记录与进程有关的各种信息（比如，进程ID、用户ID、组ID以及终止状态等）。

在内核看来，进程是一个个实体，内核必须在它们之间共享各种计算机资源。对于像内存这样的受限资源来说，内核一开始会为进程分配一定数量的资源，并在进程的生命周期内，统筹该进程和整个系统对资源的需求，对这一分配进行调整。程序终止时，内核会释放所有此类资源，供其他进程重新使用。其他资源（如CPU、网络带宽等）都属于可再生资源，但必须在所有进程间平等共享。

进程的内存布局

逻辑上将一个进程划分为以下几部分（也称为段）。

• 文本：程序的指令。
• 数据：程序使用的静态变量。
• 堆：程序可从该区域动态分配额外内存。
• 栈：随函数调用、返回而增减的一片内存，用于为局部变量和函数调用链接信息分配存储空间。

创建进程和执行程序

进程可使用系统调用fork()来创建一个新进程。调用fork()的进程被称为父进程，新创建的进程则被称为子进程。内核通过对父进程的复制来创建子进程。子进程从父进程处继承数据段、栈段以及堆段的副本后，可以修改这些内容，不会影响父进程的“原版”内容。（在内存中被标记为只读的程序文本段则由父、子进程共享。）

然后，子进程要么去执行与父进程共享代码段中的另一组不同函数，或者，更为常见的情况是使用系统调用execve()去加载并执行一个全新程序。execve()会销毁现有的文本段、数据段、栈段及堆段，并根据新程序的代码，创建新段来替换它们。

以execve()为基础，C语言库还提供了几个相关函数，接口虽然略有不同，但功能全都相同。以上所有库函数的名称均以字符串“exec”打头，在函数间差异无关宏旨的场合，本书会用符号exec()作为这些库函数的统称。不过，请读者牢记，实际上根本不存在名为exec()的库函数。

一般情况下，书中会使用“执行”一词来指代execve()及其衍生函数所实施的操作。

进程ID和父进程ID

每一进程都有一个唯一的整数型进程标识符（PID）。此外，每一进程还具有一个父进程标识符（PPID）属性，用以标识请求内核创建自己的进程。

进程终止和终止状态

可使用以下两种方式之一来终止一个进程：其一，进程可使用_exit()系统调用（或相关的exit()库函数），请求退出；其二，向进程传递信号，将其“杀死”。无论以何种方式退出，进程都会生成“终止状态”，一个非负小整数，可供父进程的wait()系统调用检测。在调用_exit()的情况下，进程会指明自己的终止状态。若由信号来“杀死”进程，则会根据导致进程“死亡”的信号类型来设置进程的终止状态。（有时会将传递进_exit()的参数称为进程的“退出状态”，以示与终止状态有所不同，后者要么指传递给_exit()的参数值，要么表示“杀死”进程的信号。）

根据惯例，终止状态为0表示进程“功成身退”，非0则表示有错误发生。大多数shell会将前一执行程序的终止状态保存于shell变量$?中。

进程的用户和组标识符（凭证）

每个进程都有一组与之相关的用户ID (UID)和组ID (GID)，如下所示。

• 真实用户 ID 和组 ID：用来标识进程所属的用户和组。新进程从其父进程处继承这些ID。登录shell则会从系统密码文件的相应字段中获取其真实用户ID和组ID。
• 有效用户ID和组ID：进程在访问受保护资源（比如，文件和进程间通信对象）时，会使用这两个 ID（并结合下述的补充组ID）来确定访问权限。一般情况下，进程的有效ID与相应的真实ID值相同。正如即将讨论的那样，改变进程的有效ID实为一种机制，可使进程具有其他用户或组的权限。
• 补充组ID：用来标识进程所属的额外组。新进程从其父进程处继承补充组ID。登录shell则从系统组文件中获取其补充组ID。

特权进程

在UNIX系统上，就传统意义而言，特权进程是指有效用户ID为0（超级用户）的进程。通常由内核所施加的权限限制对此类进程无效。与之相反，术语“无特权”（或非特权）进程是指由其他用户运行的进程。此类进程的有效用户ID为非0值，且必须遵守由内核所强加的权限规则。

由某一特权进程创建的进程，也可以是特权进程。例如，一个由root（超级用户）发起的登录shell。成为特权进程的另一方法是利用set-user-ID机制，该机制允许某进程的有效用户ID等同于该进程所执行程序文件的用户ID。

能力（Capabilities）

始于内核2.2，Linux把传统上赋予超级用户的权限划分为一组相互独立的单元（称之为“能力”）。每次特权操作都与特定的能力相关，仅当进程具有特定能力时，才能执行相应操作。传统意义上的超级用户进程（有效用户ID为0）则相应开启了所有能力。

赋予某进程部分能力，使得其既能够执行某些特权级操作，又防止其执行其他特权级操作。

本书第39章会对能力做深入讨论。在本书后文中，当述及只能由特权进程执行的特殊操作时，一般都会在括号中标明其具体能力。能力的命名以CAP_为前缀，例如，CAP_KILL。

init进程

系统引导时，内核会创建一个名为init的特殊进程，即“所有进程之父”，该进程的相应程序文件为/sbin/init。系统的所有进程不是由init（使用 frok()）“亲自”创建，就是由其后代进程创建。init进程的进程号总为1，且总是以超级用户权限运行。谁（哪怕是超级用户）都不能“杀死”init进程，只有关闭系统才能终止该进程。init 的主要任务是创建并监控系统运行所需的一系列进程。（手册页init(8)中包含了init进程的详细信息。）

守护进程

守护进程指的是具有特殊用途的进程，系统创建和处理此类进程的方式与其他进程相同，但以下特征是其所独有的：

• “长生不老”。守护进程通常在系统引导时启动，直至系统关闭前，会一直“健在”。
• 守护进程在后台运行，且无控制终端供其读取或写入数据。

守护进程中的例子有syslogd（在系统日志中记录消息）和httpd（利用HTTP分发Web页面）。

环境列表

每个进程都有一份环境列表，即在进程用户空间内存中维护的一组环境变量。这份列表的每一元素都由一个名称及其相关值组成。由fork()创建的新进程，会继承父进程的环境副本。这也为父子进程间通信提供了一种机制。当进程调用exec()替换当前正在运行的程序时，新程序要么继承老程序的环境，要么在exec()调用的参数中指定新环境并加以接收。

在绝大多数shell中，可使用export命令来创建环境变量（C shell使用setenv命令），如下所示：

本书在展示交互式输入、输出的shell会话日志时，总是以黑体字来呈现输入文本。有时也会在日志中以斜体字形式加注，以解释输入的命令和产生的输出。

C语言程序可使用外部变量（char **environ）来访问环境，而库函数也允许进程去获取或修改自己环境中的值。

环境变量的用途多种多样。例如，shell定义并使用了一系列变量，供shell执行的脚本和程序访问。其中包括：变量HOME（明确定义了用户登录目录的路径名）、变量PATH（指明了用户输入命令后，shell查找与之相应程序时所搜索的目录列表）。

资源限制

每个进程都会消耗诸如打开文件、内存以及CPU时间之类的资源。使用系统调用setrlimit()，进程可为自己消耗的各类资源设定一个上限。此类资源限制的每一项均有两个相关值：软限制（soft limit）限制了进程可以消耗的资源总量，硬限制（hard limit）软限制的调整上限。非特权进程在针对特定资源调整软限制值时，可将其设置为0到相应硬限制值之间的任意值，但硬限制值则只能调低，不能调高。

由fork()创建的新进程，会继承其父进程对资源限制的设置。

使用ulimit命令（在C shell中为limit）可调整shell的资源限制。shell为执行命令所创建的子进程会继承上述资源设置。