深入理解进程控制相关的函数

进程标识

每个进程都有一个非负整型表示的唯一进程 ID。

• ID 为 0 的进程通常是调度进程，也被称为系统进程。
• ID 为 1 的进程通常是 init 进程，此进程负责在自举内核后启动一个 UNIX 系统。init 进程决不会终止，它虽然不是内核中的系统进程，但是它以超级用户特权运行。
• ID 为 2 时页守护进程，此进程负责支持虚拟存储器系统。

有关进程 ID 的一些获取函数

#include 

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

函数 fork

#include 

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

由 fork 创建的新进程被称为子进程。fork 函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是 0，而父进程的返回值则是新建子进程的进程 ID。

子进程和父进程继续执行 fork 调用之后的指令。子进程是父进程的一个副本。例如，子进程获得父进程数据空间、堆和栈的副本。注意：这是子进程拥有的副本。父进程和子进程并不共享这些存储空间。父进程和子进程共享正文段。

由于在 fork 之后经常跟着 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。而是采用写时复制技术（Copy On Write，COW）。这些区域由父进程和子进程共享，而且内核将它们的访问权限改变为只读。如果父进程和子进程中的任意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，通常是虚拟存储系统中的一页。

fork 失败的两个主要原因：

• 系统中已经有了太多的进程
• 该实际用户 ID 的进程总数超过了系统限制

fork 有以下两种用法：

• 一个父进程希望复制自己，是父进程和子进程同时执行不同的代码段。这在网络服务进程中是常见的——父进程等待客户端的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用 fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求。
• 一个进程要执行一个不同的程序。在这种情况下，子进程从 fork 返回后立即调用 exec。

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（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想父进程发的异步通知。父进程可以选择忽略该信号，或者提供一个该信号发生时即被调用执行的函数。对于这种信号的系统默认动作是忽略它。

当调用 wait 和 waitpid 的进程可能发生：

• 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，正在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 

pid_t wait(int *statloc);

pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc,int options);

//返回值：若成功，返回进程ID，若出错，返回0或-1

这两个函数的区别如下：

• 在一个子进程终止前，wait 使其调用者阻塞，而 waitpid 有一个选项，可使调用者不阻塞。
• waitpid 并不等待在其调用之后的第一个终止子进程，它有若干个选项，可以控制他所等待的进程。

这两个函数的参数 statloc 是一个整型指针。如果 statloc 不是一个空指针，则终止进程的终止状态就存放在它所指向的单元内。如果不关心终止状态，则可将该参数指定为空指针。

对于 waitpid 函数中 pid 参数的作用解释如下：

• pid == -1          等待任一子进程。此种情况下，waitpid 与 wait 等效
• 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

waitpid 函数返回终止子进程的进程 ID，并将该子进程的终止状态存放在由 statloc 指向的存储单元中。

options 参数使我们能进一步控制 waitpid 的操作。此参数或者是 0，或者是下列常量按位或运算的结果：

• WCONTINUED        若实现支持作业控制，那么由 pid 指定的任一子进程在停止后已经继续，但其状态尚未报告，则返回其状态
• WNOHANG              若由 pid 指定的子进程并不是立即可用的，则 waitpid 不阻塞，此时其返回值为 0
• WUNTRACEO          若某实现支持作业控制，而由 pid 指定的任一子进程已处于停止状态，并且其状态自停止以来还未报告过，则返回其状态。WIFSTOPPED 宏确定返回值是否对应于一个停止的子进程。

waitpid 函数提供了 wait 函数没有提供的 3 个功能：

• waitpid 可等待一个特定的进程，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。

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。这些信息至少包括进程 ID、该进程的终止状态以及该进程使用的 CPU 时间总量。内核可以释放终止进程所使用的所有存储区，关闭其所有打开文件。

一个以及终止、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）的进程别称为僵死进程。

函数 exec

 当进程调用一种 exec 函数时，该进程执行的程序完全替换为新程序，而新程序则从其 main 函数开始执行。因为调用 exec 并不创建新进程，所有前后的进程 ID 并未改变。exec 只是用磁盘上的一个新程序替换了当前进程的正文段、数据段、堆段和栈段。

有七种不同的 exec 函数可供使用，它们通常被称为 exec 函数，我们可以使用这 7 个函数中的任一个。

#include 

int execl(const char *pathname, const char *agr0, ... /* (char *)0 */);

int execv(const char *pathname, char *const argv[]);

int execle(const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *)0, char *const envp[] */);

int execce(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 argc[]);

int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const encp[]);

//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时前 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，最后一个函数取文件描述符作为参数。

当指定 filename 作为参数时：

• 如果 filename 中包含 /，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，PATH 变量包含了一张目录表（称为路径前缀），目录之间用冒号 : 分割。

第二个区别与参数表的传递有关（l 表示列表 list， v 表示适量 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。

最后一个区别与想向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。

更改用户 ID 和更改组 ID 函数

#inlcude 

int setuid(uid_t uid);

int setgid(gid_t fid);

//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 我们所说明的一切都适用于组 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。
• 如果上面两个条件都不满足，则 errno 设置为 EPERM，并返回-1。

关于内核所维护的 3 个用户 ID，还要注意以下几点：

•  只有超级用户进程可以更改实际用户 ID。通常，实际用户 ID 是在用户登录时，由 login 程序设置的，而且绝不会改变它。
• 仅当对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。如果设置用户 ID 位没有设置，exec 函数不会改变有效用户 ID，而将维持其现有值。
• 保存的设置用户 ID 是由 exec 复制有效用户 ID 而得到的。如果设置了文件的设置用户 ID 位，则在 exec 根据文件的用户 ID 设置了进程的有效用户 ID 以后，这个副本就被保存起来了。

函数 system

#include 

int system(const char *cmdstring);

如果 cmdstring 是一个空指针，则仅当命名处理程序可用时，system 返回非 0 值，这一特征可用确定在一个给定的操作系统上是否支持 system 函数。

因为 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 返回处理 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) 一样。
3. 否则所有 3 个函数（fork、exec 和 waitpid）都成功，那么 system 的返回值时 shell 的终止状态。