Unix环境高级编程学习笔记（五） 进程控制

fork 函数

fork函数用于创建子进程，先看其声明方式：

pid_t fork(void);

该函数如果执行成功，则会返回两次，对于父进程，返回其子进程的ID，对于子进程，返回0。

进程创建成功后，子进程会拷贝父进程的地址空间，包括数据空间，堆和栈。但这在许多情况下会不必要的耗费很多资源，所以现在的实现一般都采用了一种叫做“copy-on-write (COW)”的技术。在这种技术下，父进程和子进程会共享这片空间，内核会保护这片空间为只读模式，只有当有进程要修改时，才进行部分拷贝工作。

对于Posix标准的线程，fork函数创建的进程只包含当前的调用线程。在前面的学习笔记中，我们知道，每个进程都会有自己的进程表，在fork以后，进程表会被复制，从而父子进程共享打开的文件。

除了打开的文件，以下进程属性也将被子进程继承：

• Real user ID, real groupID, effective user ID, effective group ID

• Supplementary group IDs

• Process group ID

• Session ID

• Controlling terminal

• The set-user-ID andset-group-ID flags

• Current workingdirectory

• Root directory

• File mode creation mask

• Signal mask anddispositions

• The close-on-exec flagfor any open file descriptors

• Environment

• Attached shared memorysegments

• Memory mappings

• Resource limits

exec系列函数

在前面的学习笔记中，我们已经讨论过exec系列函数了，今天，我们将看到更多关于它的细节问题。我们知道，exec系列函数将使用一个新的进程镜像替换掉原先的进程镜像，而这部分包含代码段，数据段，堆以及栈。为了更好的说明exec函数之间的关系，我们还是回顾一下这六个声明：

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

实际上，这六个函数只有一个execve属于系统调用，其它都属于库函数的定义，它们之间的关系可见下图：

对于这六个函数的命名方式，其规律其实很容易看出来，exec是共有部分，而l带表可变参，与之相对的则是v，代表数组。如果有p，则说明使用了PATH环境变量，其参数则是filename，最后的e则代表替换的进程（实际上并没有创建进程）将使用envp所指定的环境表。

需要着重解释的是关于filename与pathname的区别，如果是pathname，则它所代表的是可执行文件的路径，而filename则分两种情况，如果包含'/'前缀，则其意义与pathname相同，否则，则只代表文件名，寻找该可执行文件时需要使用PATH环境变量中的值作为查找前缀。

每一个打开的文件描述符都有一个close-on-exec标识，它默认是没有被设置的，如果该位被设置，则在使用exec系列函数后，该文件描述符将被关闭。

许多情况下，我们创建进程的目的只是为了调用exec系列的函数去加载新的程序，而在这种情况下使用fork就太浪费了，因为我们并不需要使用到父进程的地址空间及相关资源，替代的，我们可以使用vfork函数。该函数和fork的功能基本相同，区别在于，子进程并不会复制父进程的地址空间，在子进程调用_exit系列函数或是exec系列函数之前，子进程将在父进程的地址空间中运行，而在此期间父进程将被阻塞（请注意，一旦子进程调用了_exit系列函数或是exec系列函数之后，父进程将可以继续执行）。

关于vfork函数，还有一点需要特别注意的是，永远不要再子进程里进行main函数的返回或是调用exit函数，因为子进程和父进程共用地址空间，而exit函数会导致流的关闭以及调用“出口函数”，这将影响到父进程的状态。至于main函数的返回，其效果和调用exit函数是一样的。

尽管vfork函数并不复制地址空间，但进程表之类的东西它仍然是会复制的，也就是说，虽然调用_exit函数会关闭文件描述符，但这并不影响到父进程。如果父进程先于子进程结束，那么子进程将被init进程收养。

进程中的User ID 和 Group ID

在之前的学习笔记中，我已经介绍过关于进程ID的部分知识已经文件权限中set user id 位和set group id 位的作用。今天将更深入的介绍里面的一些知识，先来看两个函数声明：

int setuid(uid_t uid);
int setgid(gid_t gid);

这两个函数是用来设置进程ID以及组ID的，我们着重介绍setuid函数，后者与其类似，它的执行规则如下：

1. 如果进程拥有超级用户的权限，则setuid函数将real user ID, effective user ID, 以及 saved set-user-ID都设置为指定ID。

2. 如果进程没有超级用户的权限，则除非指定ID与real user ID 或则是 saved set-user-ID相同，否则执行不会成功，当执行成功时， effective user ID被设置为指定ID的值。

当我们执行exec系列函数后，如果set  user id位已被设置，则进程的 effective user ID将被设置为执行文件的属主ID，而无论该位是否被设置，saved set-user-ID都将被设置为effective user ID的值（这一点非常重要）。

我们来看一下saved set-user-ID的作用，拿man命令来举例，因为它将使用到许多普通用户无法使用的文件，所以它的set user id 是被设置了的，也就是说在执行它的时候，effective user ID将被设置为man用户。然后，由于，我们可以在man运行的过程中通过命令执行其他进程（例如shell），这样是非常危险的，因为它很可能把man的权限传递给危险的进程。为了防止这种情况的发生，man在执行完它的初始化后，在等待用户命令之前，它将调用setuid函数将effective user ID设置回real id(saved set-user-ID不变，依然是man)，而在需要再次访问man所需要的文件时，我们再通过setuid提高权限，将effective user ID设置回man(因为saved set-user-ID是man，所以操作合法)，所以，我们可以看到man在这里就起着一个记录保存的作用，可以方便安全的进行权限的提高和降低。