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          Linux培訓
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          當你在Linux上啟動一個進程時會發生什么?

          • 發布:Linux培訓
          • 來源:Linux培訓常見問題匯總
          • 時間:2018-01-19 15:07

          本文是關于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的。你或許已經知道,也有人還不知道。幾年前當我了解到這些時,我驚嘆不已。

          我們要做的是啟動一個進程。我們已經在博客上討論了很多關于系統調用的問題,每當你啟動一個進程或者打開一個文件,這都是一個系統調用。所以你可能會認為有這樣的系統調用:

          start_process(["ls", "-l", "my_cool_directory"])

          這是一個合理的想法,顯然這是它在 DOS 或 Windows 中的工作原理。我想說的是,這并不是 Linux 上的工作原理。但是,我查閱了文檔,確實有一個 posix_spawn 的系統調用基本上是這樣做的,不過這不在本文的討論范圍內。

          fork 和 exec

          Linux 上的 posix_spawn 是通過兩個系統調用實現的,分別是 fork 和 exec(實際上是execve),這些都是人們常常使用的。盡管在 OS X 上,人們使用 posix_spawn,而 fork 和exec 是不提倡的,但我們將討論的是 Linux。

          Linux 中的每個進程都存在于“進程樹”中。你可以通過運行 pstree 命令查看進程樹。樹的根是 init,進程號是 1。每個進程(init 除外)都有一個父進程,一個進程都可以有很多子進程。

          所以,假設我要啟動一個名為 ls 的進程來列出一個目錄。我是不是只要發起一個進程 ls 就好了呢?不是的。

          我要做的是,創建一個子進程,這個子進程是我(me)本身的一個克隆,然后這個子進程的“腦子”被吃掉了,變成 ls。

          開始是這樣的:

          my parent

          |- me

          然后運行 fork(),生成一個子進程,是我(me)自己的一份克隆:

          my parent

          |- me

          |-- clone of me

          然后我讓該子進程運行 exec("ls"),變成這樣:

          my parent

          |- me

          |-- ls

          當 ls 命令結束后,我幾乎又變回了我自己:

          my parent

          |- me

          |-- ls (zombie)

          在這時 ls 其實是一個僵尸進程。這意味著它已經死了,但它還在等我,以防我需要檢查它的返回值(使用 wait 系統調用)。一旦我獲得了它的返回值,我將再次恢復獨自一人的狀態。

          my parent

          |- me

          fork 和 exec 的代碼實現

          如果你要編寫一個 shell,這是你必須做的一個練習(這是一個非常有趣和有啟發性的項目。

          事實證明,有了 C 或 Python 的技能,你可以在幾個小時內編寫一個非常簡單的 shell,像 bash 一樣。(至少如果你旁邊能有個人多少懂一點,如果沒有的話用時會久一點。)我已經完成啦,真的很棒。

          這就是 fork 和 exec 在程序中的實現。我寫了一段 C 的偽代碼。請記住,fork 也可能會失敗哦。

          int pid = fork();

          // 我要分身啦

          // “我”是誰呢?可能是子進程也可能是父進程

          if (pid == 0) {

          // 我現在是子進程

          // “ls” 吃掉了我腦子,然后變成一個完全不一樣的進程

          exec(["ls"])

          } else if (pid == -1) {

          // 天啊,fork 失敗了,簡直是災難!

          } else {

          // 我是父進程耶

          // 繼續做一個酷酷的美男子吧

          // 需要的話,我可以等待子進程結束

          }

          上文提到的“腦子被吃掉”是什么意思呢?

          進程有很多屬性:

          打開的文件(包括打開的網絡連接)

          環境變量

          信號處理程序(在程序上運行 Ctrl + C 時會發生什么?)

          內存(你的“地址空間”)

          寄存器

          可執行文件(/proc/$pid/exe)

          cgroups 和命名空間(與 Linux 容器相關)

          當前的工作目錄

          運行程序的用戶

          其他我還沒想到的

          當你運行 execve 并讓另一個程序吃掉你的腦子的時候,實際上幾乎所有東西都是相同的! 你們有相同的環境變量、信號處理程序和打開的文件等等。

          唯一改變的是,內存、寄存器以及正在運行的程序,這可是件大事。

          為何 fork 并非那么耗費資源(寫入時復制)

          你可能會問:“如果我有一個使用了 2GB 內存的進程,這是否意味著每次我啟動一個子進程,所有 2 GB 的內存都要被復制一次?這聽起來要耗費很多資源!”

          事實上,Linux 為 fork() 調用實現了寫時復制copy on write,對于新進程的 2GB 內存來說,就像是“看看舊的進程就好了,是一樣的!”。然后,當如果任一進程試圖寫入內存,此時系統才真正地復制一個內存的副本給該進程。如果兩個進程的內存是相同的,就不需要復制了。

          為什么你需要知道這么多

          你可能會說,好吧,這些細節聽起來很厲害,但為什么這么重要?關于信號處理程序或環境變量的細節會被繼承嗎?這對我的日常編程有什么實際影響呢?

          有可能哦!比如說,在 Kamal 的博客上有一個很有意思的 bug。它討論了 Python 如何使信號處理程序忽略了 SIGPIPE。也就是說,如果你從 Python 里運行一個程序,默認情況下它會忽略 SIGPIPE!這意味著,程序從 Python 腳本和從 shell 啟動的表現會有所不同。在這種情況下,它會造成一個奇怪的問題。

          所以,你的程序的環境(環境變量、信號處理程序等)可能很重要,都是從父進程繼承來的。知道這些,在調試時是很有用的。

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