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3 Processes | 进程

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3.1 进程是啥

进程 (Process) 是被加载到内存中、正在运行的程序。多个进程可能对应同一个程序。一个正在运行的 OS 中会有多个进程。进程是程序的一次执行过程，是操作系统分配资源的基本单位。

由于历史原因，进程 process 和 作业 job 这两个概念可以认为是等同的。

3.1.1 进程的组成

一个进程包括：

  • code or text 
    • 即程序代码，加载到内存前以 executable file 的形式存储在 disk 中
  • program counter 
    • PC，指向下一个要运行的指令
  • content of the processer's registers 
    • 在进程之间切换时，需要保存寄存器的值以便下次回到该进程时继续运行
  • run time stack 
    • 在 ICS 和汇编语言中学习过相关内容。其中的条目称为 activation records (stack frames)
    • 由用户代码操控（编译时完成关于栈的相关调用），在调用函数时暂时存储一些数据，如 local variables, return address, return values, state of registers, parameters 等
  • data section 
    • global variables
  • heap 
    • dynamically allocated memory

ELF (Executable and Linkable Format)

.data: 初始化了的静态变量

.bss: block starting symbol，未初始化的静态变量。ELF 里只会存这个段的长度，加载到内存时会占用对应大小的空间，初值为 0

3.1.2 进程的状态

进程在执行 (execute) 时会改变状态 (state)：

一个处理器上，只有一个进程可以 running，更多的进程可能处于 ready 或 waiting 状态。

3.1.3 进程控制块

操作系统用一个 Process Control Block (PCB, a.k.a. task control block) 表示进程，每个进程有且仅有一个 PCB。

PCB 包含许多当前进程的相关信息，如：

  • Process state 
  • Program counter 
  • CPU registers ，存储所有进程相关的寄存器的值
  • CPU scheduling information ，properities, scheduling queue pointers, etc.
  • Memory-management information 
  • Accounting information ，CPU 使用时间、时间期限、记账数据等
  • I/O status information ，分配给进程的 I/O 设备列表、打开文件列表等

不同的系统可能有不同的 PCB。Linux 中的进程用结构体 task_struct 存储。

3.2 进程的创建

大多数操作系统通过一个唯一的 进程标识符 (process indentifier, pid) 来识别一个进程。一个进程在运行时可以创建新的进程，则它成为父进程，新建进程称为子进程；父进程的 pid 称为子进程的 ppid (parent's pid) 。这样进程会成为一个 进程树 (process tree)：

当子进程被创建时，它会需要一定的资源（CPU 时间、内存、文件、I/O 设备等）来完成任务。它可以从操作系统那里直接获取资源，也可以从父进程那里继承（共享）一些资源。建立子进程时，父进程也可以向子进程传递一些初始化数据，例如父进程创建一个显示图片的子进程时，可以将该图片的路径或文件名等传递给子进程。

UNIX 系统中可以使用系统调用 fork() 来创建一个新进程。这个新进程是父进程的一份拷贝，它们只有 pid 和 ppid 不同，另外子进程当前内存使用记录为 0，除此以外全部相同。 fork() 对父进程返回该子进程的 pid，而对子进程返回 0。

fork() 如何对父进程和子进程返回不同的值？

一种实现方式是，在进入 fork() 时存下当前的 pid，在建立新进程后（此时存下子进程的 pid），父进程和子进程都将分别完成 fork() 剩余代码的执行。在进行返回时， fork() 检查当前的 pid 与前面存下的是否一致，如果一致则说明当前是父进程，返回子进程的 pid；不一致则说明是子进程，返回 0。

也就是说，当进程创建新进程时，父进程可以

  • 继续运行（和子进程并发执行，即同时或者交替运行），或者
  • 等待子进程运行完后再运行

子进程的地址空间有可能

  • 使用父进程的一份拷贝，或者
  • 加载另一个新的程序
为什么要拷贝一份呢？

考虑这样的代码：https://godbolt.org/z/78a8sTKhP

子进程虽然和父进程跑的是一样的代码，但是不应当使用同一份数据。

聪明的小朋友可能会问了，上面这种代码，child 将当前地址空间拷贝一份岂不是很浪费吗？因为根本没有用到。确实如此，因此部分 UNIX 的实现引入了 copy-on-write 机制，将地址空间的复制推迟到任何一个进程需要写入的时候再进行。

UNIX 对启动新进程的逻辑是简单的。fork 的意义就是制造当前进程的一个副本，而 exec 的意义是用一个新的程序替代当前的进程1。

系统调用 getpid() 和 getppid() 可以分别获取进程的 pid 和 ppid。

3.3 进程的终止

系统调用 exit() 会使得进程终止。C 语言 main 函数返回时也会隐式地调用 exit()。除此之外，进程也会由于一些信号、异常等终止。

前一节中的代码中展示了 wait() 的系统调用，它使得当前进程进入 waiting 状态，并在任一子进程终止，或被信号停止，或被信号恢复时进入 ready 状态，同时返回发生该事件的子进程的 pid。

当一个进程终止时，它进入 terminated 状态，它的资源被操作系统回收。但是，操作系统仍然会保存一些信息（例如 PID，结束状态，资源使用情况等2），因为父进程有可能会需要调用 wait() 来获取其一些信息。当子进程已经终止，但父进程在忙，还没有调用 wait()，我们称这样的子进程为 僵尸进程 (zombie processes)，因为前述信息仍然占据了进程表中的一项；如果表满了，就不能创建新的进程了。

当子进程没有结束，或者终止了但父进程没有调用 wait() 的情况下，父进程就结束了，子进程就会成为 孤儿进程 (orphan processes)。一些操作系统会将孤儿进程一同终止掉，但是 UNIX 的做法是让 init 进程收养它们，即 init 进程成为其父进程。init 进程会定期调用 wait()，从而收集孤儿进程的退出状态，并释放进程表条目。

守护进程

所以，如果我们想创建一个 守护进程 (daemon，在后台运行的、生存期长的进程，例如 host 一项服务等 )，我们可以 fork 两次，让 grandchild 执行对应任务，而 child 直接终止，这样 grandchild 就会成为孤儿从而被 init 收养。

3.4 进程间通信

进程间通信 (IPC, InterProcess Communication) 是为了在进程的资源相互隔离的情况下，让不同的进程能相互访问资源从而协调工作。

​主要有两种方式：共享内存 (shared memory) 和 消息传递 (message passing)。

  • 信号量 (semaphores) 本意用来线程间同步，但是可以通过 sem_open() 系统调用来建立和维护进程间的信号量；这样的信号量属于 OS 资源，它会在相关进程结束后由 OS 释放34。
  • 共享内存 的实现是，两个进程各自有一块虚拟内存，映射到同一块物理内存。共享内存也需要信号量等同步手段保护。
  • ​共享文件。
  • ​管道 (pipe)。管道的实现其实也是文件，创建管道时操作系统会返回两端的文件描述符；逻辑上实现的是一个半双工的信道。
  • ​消息队列 (message queue)。为什么需要消息队列呢？共享文件显然很慢，而共享内存比较难适用信息大小不等、信息读一次就失效等场景，且共享内存需要同步手段。消息队列可以解决这些问题。
    • 消息队列，其实就是操作系统维护的一个一个的链表，进程可以新建或者连接到一个消息队列，并写入消息，或读取第一条满足一定条件的消息56。
  • ​Socket。TCP / UDP，适用于双方不一定在同一个计算机上的情况。

  1. https://stackoverflow.com/questions/1653340/differences-between-fork-and-exec/1653415#1653415 ↩

  2. https://man7.org/linux/man-pages/man2/waitpid.2.html#NOTES ↩

  3. https://www.man7.org/linux/man-pages/man3/sem_open.3.html ↩

  4. https://stackoverflow.com/questions/65390563/does-sem-open-allocate-memory ↩

  5. https://www.tutorialspoint.com/inter_process_communication/inter_process_communication_message_queues.htm ↩

  6. http://www.science.unitn.it/~fiorella/guidelinux/tlk/node57.html ↩

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