6.S081 附加Lab4 从源代码看进程退出——exit，wait，kill

6.S081 附加Lab4 从源代码看进程退出过程——exit，wait，kill

进程退出，主要有两种方式exit和killed，本博客根据xv6源代码分析，进程退出并释放资源的过程。

本实验衍生并且包含于 博客，对sleep和wakeup有兴趣的可以看一下该博客。

0. 总结（时间不够可以只看总结）

0.1 exit仅仅做了4件事 (关闭文件——ZOMBIE——wakeup parent——sched)

1. 释放了本进程打开的文件和目录；

2. 将状态设置为ZOMBIE；

3. 将父进程的wait函数（sleep），唤醒（wakeup）；

4. 调用sched() 函数（本质就是线程切换swtch函数），释放占用的CPU，并永不返回。
   （关于swtch可以看博客）

直到子进程exit的最后，它都没有释放所有的资源，因为它还在运行的过程中，所以不能释放这些资源。相应的其他的进程，也就是父进程，释放了运行子进程代码所需要的资源。这样的设计可以让我们极大的精简exit的实现。

0.2 wait才是真正的释放资源的地方

1. 等待子进程退出；（sleep，等待子进程的exit将它wakeup）

2. 在进程列表中找到父进程是本进程，并且状态是ZOMBIE的进程，释放它的资源，包括⬇️；
   (1) trapframe;
   (2) pagetable;
   (3) 各种进程状态清零：sz，pid，parent，name，chan，killed，state，xstate；

   其中：sz = size，页表大小； chan = channel，wakeup和sleep的信号标记（用来唯一标识wakeup应该唤醒哪个进程的）；

   (4) 当父进程完成了清理进程的所有资源，子进程的状态会被设置成UNUSED。之后，fork系统调用才能重用进程在进程表单的位置。

wait不仅是为了父进程方便的知道子进程退出，wait实际上也是进程退出的一个重要组成部分。——完成了很多资源释放的过程，并且真正将state，sz，name，parent等清零

0.3 kill几乎什么都不做

严格来说kill只有两件事: p->killed = 1; SLEEPING -> RUNNABLE && ret from sleep.

1. 设置p->killed = 1；
2. 如果进程是SLEEPING，将会被设置为RUNNABLE，并且从sleep中返回；
3. 进程在一些地方自动检查if p->killed == 1, exit；
4. 备注：如果需要保持某些操作的原子性，可以在操作过程中不仅行检查；常见的检查地点：一些sleep调用返回的地方，比如piperead的sleep返回之后，比如执行系统调用之前，比如时钟中断之后，比如系统调用从OS返回时…

1. exit

exit是关于进程关闭（另一个可以关闭进程的函数是kill），exit代码如下⬇️，它主要做了：

• 关闭所有已经打开的文件；
• 关闭Current directory（cwd）；
• reparent将该进程的子进程的父进程全都设置成init进程；
• wakeup(p->parent); —— 进程可能在wait子进程；
• 如果该进程父进程不存在，那么将为该进程重新制定父进程为init进程；
• 将进程设置为ZOMBIE —— 现在进程还没有完全释放它的资源，所以它还不能被重用。重用：我们期望在最后，进程的所有状态都可以被一些其他无关的fork系统调用复用，但是目前我们还没有到那一步。
• 调用sched函数进入到调度器线程，并且永不返回；
• 进程的状态是ZOMBIE，并且进程不会再运行，因为调度器只会运行RUNNABLE进程。同时进程资源也并没有完全释放，如果释放了进程的状态应该是UNUSED。但是可以肯定的是进程不会再运行了，因为它的状态是ZOMBIE。所以调度器线程会决定运行其他的进程。

值得注意的一点是，执行exit并没有将自己的进程包含的 内存，栈等资源释放，仅仅是释放了文件描述符和文件目录，并且将状态设置为ZOMBIE，并且wakeup了父进程的wait。

// Exit the current process.  Does not return.
// An exited process remains in the zombie state
// until its parent calls wait().
void
exit(int status)
{
  struct proc *p = myproc();

  if(p == initproc)
    panic("init exiting");

  // Close all open files.
  for(int fd = 0; fd < NOFILE; fd++){
    if(p->ofile[fd]){
      struct file *f = p->ofile[fd];
      fileclose(f);
      p->ofile[fd] = 0;
    }
  }

  begin_op();
  iput(p->cwd);
  end_op();
  p->cwd = 0;

  acquire(&wait_lock);

  // Give any children to init.
  reparent(p);

  // Parent might be sleeping in wait().
  wakeup(p->parent);
  
  acquire(&p->lock);

  p->xstate = status;
  p->state = ZOMBIE;

  release(&wait_lock);

  // Jump into the scheduler, never to return.
  sched();
  panic("zombie exit");
}

2. wait

通过Unix的exit和wait系统调用的说明，我们可以知道如果一个进程exit了，并且它的父进程调用了wait系统调用，父进程的wait会返回。wait函数的返回表明当前进程的一个子进程退出了。所以接下来我们看一下wait系统调用的实现。

整个wait几乎都是建立在一个for循环上，主要操作是，找到一个进程的父进程是自己并且状态是ZOMBIE的进程，调用freeproc函数。

// Wait for a child process to exit and return its pid.
// Return -1 if this process has no children.
int
wait(uint64 addr)
{
  struct proc *pp;
  int havekids, pid;
  struct proc *p = myproc();

  acquire(&wait_lock);

  for(;;){
    // Scan through table looking for exited children.
    havekids = 0;
    for(pp = proc; pp < &proc[NPROC]; pp++){
      if(pp->parent == p){
        // make sure the child isn't still in exit() or swtch().
        acquire(&pp->lock);

        havekids = 1;
        if(pp->state == ZOMBIE){
          // Found one.
          pid = pp->pid;
          if(addr != 0 && copyout(p->pagetable, addr, (char *)&pp->xstate,
                                  sizeof(pp->xstate)) < 0) {
            release(&pp->lock);
            release(&wait_lock);
            return -1;
          }
          freeproc(pp);
          release(&pp->lock);
          release(&wait_lock);
          return pid;
        }
        release(&pp->lock);
      }
    }

    // No point waiting if we don't have any children.
    if(!havekids || killed(p)){
      release(&wait_lock);
      return -1;
    }
    
    // Wait for a child to exit.
    sleep(p, &wait_lock);  //DOC: wait-sleep
  }
}

再来看看freeproc函数⬇️

• 释放trapframe；

• 释放pagetable；

• 清零state，chan，killed，pid，sz，parent，name等；

如果我们需要释放进程内核栈，那么也应该在这里释放。但是因为内核栈的guard page，我们没有必要再释放一次内核栈。不管怎样，当进程还在exit函数中运行时，任何这些资源在exit函数中释放都会很难受，所以这些资源都是由父进程释放的。

// free a proc structure and the data hanging from it,
// including user pages.
// p->lock must be held.
static void
freeproc(struct proc *p)
{
  if(p->trapframe)
    kfree((void*)p->trapframe);
  p->trapframe = 0;
  if(p->pagetable)
    proc_freepagetable(p->pagetable, p->sz);
  p->pagetable = 0;
  p->sz = 0;
  p->pid = 0;
  p->parent = 0;
  p->name[0] = 0;
  p->chan = 0;
  p->killed = 0;
  p->xstate = 0;
  p->state = UNUSED;
}

wait不仅是为了父进程方便的知道子进程退出，wait实际上也是进程退出的一个重要组成部分。在Unix中，对于每一个退出的进程，都需要有一个对应的wait系统调用，这就是为什么当一个进程退出时，它的子进程需要变成init进程的子进程。init进程的工作就是在一个循环中不停调用wait，因为每个进程都需要对应一个wait，这样它的父进程才能调用freeproc函数，并清理进程的资源。

3. kill

除了exit以外，kill也可以让一个进程退出。实际上kill基本上不做任何事情。

• 从进程表中找到需要killed的进程，将他的p->killed置为1；
• 目标进程会自动执行exit的系统调用；

// Kill the process with the given pid.
// The victim won't exit until it tries to return
// to user space (see usertrap() in trap.c).
int
kill(int pid)
{
  struct proc *p;

  for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++){
    acquire(&p->lock);
    if(p->pid == pid){
      p->killed = 1;
      if(p->state == SLEEPING){
        // Wake process from sleep().
        p->state = RUNNABLE;
      }
      release(&p->lock);
      return 0;
    }
    release(&p->lock);
  }
  return -1;
}

p->killed == 1自动exit的时机有哪些（什么时候会检查p->killed == 1）？

• 执行系统调用之前，会检查，如果p->killed == 1就自动exit；
• 执行系统调用，从内核返回后，也会检查…；
• 中断的时候也会检查；
  为什么执行系统调用期间不行？——在内核执行的时候，如果killed，可能会导致一些操作只做了一部分，导致一些操作不再是原子操作。

3.1 kill的特点——只是设置killed，会在其他地方检查p->killed == 1，自动exit

kill系统调用并不是真正的立即停止进程的运行，它更像是这样：如果进程在用户空间，那么下一次它执行系统调用它就会退出，又或者目标进程正在执行用户代码，当时下一次定时器中断或者其他中断触发了，进程才会退出。所以从一个进程调用kill，到另一个进程真正退出，中间可能有很明显的延时。

3.2 SLEEPING状态的程序被killed了——会被设置为RUNNABLE，并且从sleep中返回

但是问题来了，如果一个进程不在运行怎们办？——比如一个进程SLEEPING状态，但是可能几天后才会被唤醒咋整？

——其实从代码中就可以看到，其实是，如果进程状态为SLEEPING，killed将会把它的状态设置为RUNNABLE，并且让进程从sleep中返回。

所以对于SLEEPING状态的进程，如果它被kill了，它会被直接唤醒，包装了sleep的循环会检查进程的killed标志位，最后再调用exit。

3.3 一些磁盘操作等原子操作怎么保证？

值得注意的是，还有一些操作，逻辑上可能是原子的，这些操作需要做的就是，在操作的过程中，不去检查p->killed == 1，因此这些过程中进程不会退出。比如一些文件操作virtio_disk.c：磁盘驱动中的sleep循环，这个循环中就没有检查进程的killed标志位。

// Wait for virtio_disk_intr() to say request has finished.
while(b->disk == 1) {
  sleep(b, &disk.vdisk_lock);
}