Linux操作系统分析（2）- 进程的创建与可执行程序的加载

学号：sa×××310 姓名：××涛

环境：Ubuntu13.04  gcc4.7.3

1.进程管理

       Linux中的进程主要由kernel来管理。系统调用是应用程序与内核交互的一种方式。系统调用作为一种接口，通过系统调用，应用程序能够进入操作系统内核，从而使用内核提供的各种资源，比如操作硬件，开关中断，改变特权模式等等。

       常见的系统调用：exit,fork,read,write,open,close,waitpid,execve,lseek,getpid...

      用户态和内核态

      为了使操作系统提供一个很好的进程抽象，限制一个程序可以执行的指令和可以访问的地址空间。

      处理器通常是使用某个控制寄存器中的一个模式位来提供这种功能，该寄存器描述了进程当前享有的特权。当设置了模式位时，进程就运行在内核态，可以执行指令集中的任何指令，并且可以访问系统中任何存储器位置。

      没有设置模式位时，进程就运行在用户态，不允许执行特权指令，也不允许直接引用地址空间中内核区内的代码和数据。任何这样的尝试都会导致致命的保护故障，反之，用户程序必须通过系统调用接口间接地访问内核代码和数据。

        关于fork的分析，参见这篇博文。

        waitpid

       首先来了解一下僵尸进程，当一个进程由于某种原因终止时，内核并不是立即把它从系统中清除。相反，进程被保存在一种已终止的状态中，直到它的夫进程回收。当父进程回收已终止的子进程时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后抛弃已终止的进程，从此时开始，该进程就不存在了。一个终止了但还未被回收的进程称为僵尸进程。

     如果父进程没有回收子进程就终止了，子进程就成了僵尸进程，即时没有运行，但仍然消耗系统的存储器资源。

      一个进程可以通过调用waitpid函数来等待它的子进程终止或是停止。

     函数原型如下:

    pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)

    如果成功，则为子进程的PID，如果WNOHANG，则为0，如果其他错误，则为-1.

    看一个waitpid函数的例子。

#include"csapp.h"
#include<errno.h>
#define N 5
int main()
{
    int status, i;
    pid_t pid;
    
    for(i=0; i<N; i++)
    {
        if((pid = Fork())==0)
            exit(100+i);
    }
    while((pid = waitpid(-1, &status, 0))>0)
    {
        if(WIFEXITED(status))
            printf("Child %d exited normally with status=%d!\n",pid,WIFEXITED(status));
        else
            printf("Child %d terminated abnormally!\n",pid);
    }
    if(errno != ECHILD)
      unix_error("waitpid error\n");
    return 1;
}

运行结果

waitpid的第一个参数是-1，则等待集合由父进程的所有子进程组成。大于0的话就是等待进程的pid。 

waitpid的第三个参数是-1，则waitpid会挂起调用进程的执行，直到它的等待集合的一个子进程终止。如果等待集合中的一个进程终止了，那么waitpid就立即返回。

程序运行的结果就是waitpid函数不按照特定的顺序回收僵死的子进程。

提一下wait函数，它就是waitpid函数的简单版本，原型如下：

pid_t wait(int *status)

等价于waitpid(-1, &status, 0)

execve

        在Linux中要使用exec函数族来在 一个进程中启动另一个程序。系统调用execve（）对当前进程进行替换，替换者为一个指定的程序，其参数包括文件名（filename）、参数列表（argv）以及环境变量（envp）。exec函数族当然不止一个，但它们大致相同，在 Linux中，它们分别是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp，下面我只以execve为例，其它函数究竟与execlp有何区别，请通过man exec命令来了解它们的具体情况。

　　一个进程一旦调用exec类函数，它本身就"死亡"了，系统把代码段替换成新的程序的代码，废弃原有的数据段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段与堆栈段，唯一留下的，就是进程号，也就是说，对系统而言，还是同一个进程，不过已经是另一个程序了。（不过exec类函数中有的还允许继承环境变量之类的信息。）

原型如下：

int execve(const char *filename, const char *argv[], const char *envp[]);

成功调用不会返回，出错返回-1.

       execve函数加载并运行可执行目标文件filename,且带参数列表argv和环境变量列表envp.只有当出现错误时，例如找不到filename，execve才会返回到调用程序。所以，与fork一次调用返回两次，execve调用一次并从不返回。

argv的在内存中组织方式如下图：

argv[0]是可执行目标文件的名字。

envp的在内存中组织方式如下图：

环境变量的列表是由一个和指针数组类似的数据结构表示，envp变量指向一个以null结尾的指针数组，其中每个指针指向一个环境变量串，其中每个串都是形如“NAME=VALUE”的键值对。

可以用下面的命令来打印命令行参数和环境变量：

#include"csapp.h"

int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
	int i;

    printf("Command line arguments:\n");
    for(i=0; argv[i]!=NULL; i++)
        printf("argv[%2d]: %s\n", i, argv[i]);
    printf("\n");
    printf("Environment variables:\n");
    for(i=0; envp[i]!=NULL; i++)
        printf("envp[%2d]: %s\n", i, envp[i]);
    exit(0);
}

2.简单的shell

结合上面的fork，wait和exec，下面来实现一个简单shell。

先搭建一个shell框架，步骤是读取一个来自用户的命令行，求值并解析命令行。

#include<stdio.h>
#include"csapp.h"
#define MAXARGS 128
void eval(char *cmdline);
int parseline(char *buf,char **argv);
int builtin_command(char **argv);

int main()
{
	char cmdline[MAXLINE];
	while(1)
	{
		printf("> ");
		Fgets(cmdline,MAXLINE,stdin);
		if(feof(stdin)) exit(0);
		eval(cmdline);
	}
	//printf("Hello\n");
	return 1;
}

int builtin_command(char **argv)
{
    if(!strcmp(argv[0],"quit")) exit(0);
    if(!strcmp(argv[0],"&")) return 1;
    if(!strcmp(argv[0],"-help"))
    {
    	printf("-help    help infomation.\n");
    	printf("ls       list files and folders of current path.\n");
    	printf("pwd      show current path.\n");
    	return 1;
    }
    if(!strcmp(argv[0],"pwd"))
    {
    printf("%s\n",getcwd(NULL,0));
    return 1;
	}
    return 0;
}

void eval(char *cmdline)
{
	char *argv[MAXARGS];
	char buf[MAXLINE];
	int bg;
	pid_t pid;
	
	strcpy(buf, cmdline);
	bg = parseline(buf, argv);
	if(argv[0] ==NULL) return;
	if(!builtin_command(argv))
	{
		if((pid = Fork()) == 0)
		{
			if(execve(argv[0],argv,environ) < 0)
			{
				printf("%s:Command not found.\n",argv[0]);
				exit(0);
			}
		}
		if(!bg)
		{
			int status;
			if(waitpid(pid,&status,0)<0)
			unix_error("waitfg:waitpid error");		
		}
		else printf("%d %s",pid, cmdline);
	}
	return;
}

int parseline(char *buf, char **argv)
{
	char *delim;
	int argc;
	int bg;
	buf[strlen(buf)-1]=' ';
	while(*buf && (*buf==' ')) buf++;
	
	argc = 0;
	while((delim = strchr(buf,' ')))
	{
		argv[argc++] = buf;
		*delim = '\0';
		buf = delim + 1;
		while(*buf && (*buf==' ')) buf++;
	}
	argv[argc] = NULL;
	if(argc == 0) return 1;
	
	bg = (*argv[argc-1] == '&');
	if(bg !=0) argv[--argc] = NULL;
	
	return bg; 
}

解释一下代码。

主要的几个函数：

eval：解释收到的命令。

parseline：解析以空格分隔的命令行参数，并构造argv传递给execve，执行相应的程序。

builtin_command:  检测参数是否为shell的内建命令，如果是，就立即解释这个命令，并返回1，否则返回0.

下面用通过一些System Call，实现几个linux的常用命令。

ls

显示当前路径下的文件和文件夹信息。

c代码实现：

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<sys/types.h>
#include<dirent.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<pwd.h> 
#include<grp.h>
void do_ls(char[]);
void dostat(char *);
void show_file_info(char *,struct stat *);
void mode_to_letters(int,char[]);
char * uid_to_name(uid_t);
char * gid_to_name(gid_t);

void main(int argc,char *argv[]){
    if(argc==1)
        do_ls(".");
    else
        printf("Error input\n");
}

void do_ls(char dirname[]){
    DIR *dir_ptr;   //Path
    struct dirent *direntp;     //Struct to save next file node
    if((dir_ptr=opendir(dirname))==0)
        fprintf(stderr,"ls:cannot open %s\n",dirname);
    else{
        while((direntp=readdir(dir_ptr))!=0)
            dostat(direntp->d_name);
        closedir(dir_ptr);
    }
}

void dostat(char *filename){
    struct stat info;
    if(lstat(filename,&info)==-1)
        perror("lstat");
    else
        show_file_info(filename,&info);
}

void show_file_info(char *filename,struct stat *info_p){
    char modestr[11];
    mode_to_letters(info_p->st_mode,modestr);
    printf("%-12s",modestr);
    printf("%-4d",(int)info_p->st_nlink);
    printf("%-8s",uid_to_name(info_p->st_uid));
    printf("%-8s",gid_to_name(info_p->st_gid));
    printf("%-8ld",(long)info_p->st_size);
    time_t timelong=info_p->st_mtime;
    struct tm *htime=localtime(&timelong);
    printf("%-4d-%02d-%02d %02d:%02d",htime->tm_year+1990,htime->tm_mon+1,htime->tm_mday,htime->tm_hour,htime->tm_min);
    printf(" %s\n",filename);
}

//cope with permission
void mode_to_letters(int mode,char str[]){
    strcpy(str,"----------");
    if(S_ISDIR(mode))   str[0]='d';
    if(S_ISCHR(mode))   str[0]='c';
    if(S_ISBLK(mode))   str[0]='b';

    if(mode & S_IRUSR)  str[1]='r';
    if(mode & S_IWUSR)  str[2]='w';
    if(mode & S_IXUSR)  str[3]='x';

    if(mode & S_IRGRP)  str[4]='r';
    if(mode & S_IWGRP)  str[5]='w';
    if(mode & S_IXGRP)  str[6]='x';

    if(mode & S_IROTH)  str[7]='r';
    if(mode & S_IWOTH)  str[8]='w';
    if(mode & S_IXOTH)  str[9]='x';
}

//transfor uid to username
char * uid_to_name(uid_t uid){
    struct passwd *pw_str;
    static char numstr[10];
    if((pw_str=getpwuid(uid))==NULL){
        sprintf(numstr,"%d",uid);       
        return numstr;
    }
    else
        return pw_str->pw_name;
}

//transfor gid to username
char * gid_to_name(gid_t gid){
    struct group *grp_ptr;
    static char numstr[10];
    if((grp_ptr=getgrgid(gid))==NULL){
        sprintf(numstr,"%d",gid);
        return numstr;
    }
    else
        return grp_ptr->gr_name;
}

实现思路：

主要是do_ls函数，通过opendir命令打开文件夹，然后用readdir来读取文件夹中的文件或文件夹，输出信息。

通过刚才的shell调用编译好ls程序，效果如下：

3.信号

        软中断信号（signal，又简称为信号）用来通知进程发生了异步事件。进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。注意，信号只是用来通知某进程发生了什么事件，并不给该进程传递任何数据。

        收到信号的进程对各种信号有不同的处理方法。处理方法可以分为三类：第一种是类似中断的处理程序，对于需要处理的信号，进程可以指定处理函数，由该函数来处 理。第二种方法是，忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就象未发生过一样。第三种方法是，对该信号的处理保留系统的默认值，这种缺省操作，对大部分的信 号的缺省操作是使得进程终止。进程通过系统调用signal来指定进程对某个信号的处理行为。 比如一个进程可以通过向另一个进程发送SIGKILL信号强制终止它。当一个子进程终止或者停止时，内核会发送一个SIGCHLD给父进程。

        信号有很多种，每种信号类型都对应于某种系统事件。信号的处理流程如下：

定义信号的接受处理函数原型如下:

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
Returns: ptr to previous handler if OK, SIG_ERR on error (does not set errno)

看一个接受信号的例子:

#include "csapp.h"

/* SIGINT handler */
void handler(int sig)
{
	return; /* Catch the signal and return */
}

unsigned int snooze(unsigned int secs) {
	unsigned int rc = sleep(secs);
	printf("Slept for %u of %u secs.\n", secs - rc, secs);
	return rc;
}

int main(int argc, char **argv) {
	if (argc != 2) {
		fprintf(stderr, "usage: %s <secs>\n", argv[0]);
		exit(0);
	}

	if (signal(SIGINT, handler) == SIG_ERR) /* Install SIGINT handler */
		unix_error("signal error\n");
	(void)snooze(atoi(argv[1]));
	exit(0);
}

 程序解析：

程序接受一个int参数，用于设置sleep的秒数，正常情况下sleep相应的秒数之后就自动退出程序，由于注册了SIGINI，当按下键盘的Ctrl+C键的时候，跳转到handler函数，处理信号。

4.动态链接和静态链接

库有动态与静态两种，动态通常用.so为后缀，静态用.a为后缀。例如：libhello.so libhello.a
为了在同一系统中使用不同版本的库，可以在库文件名后加上版本号为后缀,例如： libhello.so.1.0,由于程序连接默认以.so为文件后缀名。所以为了使用这些库，通常使用建立符号连接的方式。
ln -s libhello.so.1.0 libhello.so.1
ln -s libhello.so.1 libhello.so
使用库
当 要使用静态的程序库时，连接器会找出程序所需的函数，然后将它们拷贝到执行文件，由于这种拷贝是完整的，所以一旦连接成功，静态程序库也就不再需要了。然 而，对动态库而言，就不是这样。动态库会在执行程序内留下一个标记‘指明当程序执行时，首先必须载入这个库。由于动态库节省空间，linux下进行连接的 缺省操作是首先连接动态库，也就是说，如果同时存在静态和动态库，不特别指定的话，将与动态库相连接。

5.ELF文件格式与进程地址空间的联系

进程地址空间中典型的存储区域分配情况如下：

从图中可以看出：

从低地址到高地址分别为：代码段、（初始化）数据段、（未初始化）数据段（BSS）、堆、栈、命令行参数和环境变量
堆向高内存地址生长
栈向低内存地址生长

对于ELF文件，一般有下面几个段

.text section：主要是编译后的源码指令，是只读字段。
.data section ：初始化后的非const的全局变量、局部static变量。
.bss：未初始化后的非const全局变量、局部static变量。
.rodata：是存放只读数据

           

关于ELF的文件的只是这里就不赘述了。

在ELF文件中，使用section和program两种结构描述文件的内容。通常来说，ELF可重定位文件采用section，ELF可执行文件使用program，可重链接文件则两种都用。
装载文件，其实是一个很简单的过程，通过section或者program中的type属性判断是否需要加载，然后通过offset属性找到文件中的数据，将它读取（复制）到相应的内存位置就可以了。 这个位置，可以通过program里面的vaddr属性确定；对于section来说，则可以自己定义装载的位置。

动态连接的本质，就是对ELF文件进行重定位和符号解析。
重定位可以使得ELF文件可以在任意的执行（普通程序在链接时会给定一个固定执行地址）；符号解析，使得ELF文件可以引用动态数据（链接时不存在的数据）。
从流程上来说，我们只需要进行重定位。而符号解析，则是重定位流程的一个分支。

6.参考

程序员的自我修养—链接、装载与库 

 
Computer Systems: A Programmer's Perspective  3rd Edith

Linux内核编程

understanding the kernel  3rd Edith