Linux應(yīng)用開發(fā)之進(jìn)程和程序

1.進(jìn)程和程序

進(jìn)程是一個(gè)可執(zhí)行程序的實(shí)例，程序包含了一系列信息文件，這些信息描述了如何在運(yùn)行期間創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程：

二進(jìn)制格式標(biāo)識(shí) ：包含用于描述可執(zhí)行文件格式的元信息，內(nèi)核根據(jù)此信息來(lái)解釋文件中的其他信息：

a.out(匯編程序輸出)

COFF(通用文件格式)

ELF(可執(zhí)行連接格式)，目前大多數(shù) linux 實(shí)現(xiàn)采用此種方式，具有更多優(yōu)點(diǎn)

機(jī)器語(yǔ)言指令 ：對(duì)程序算法進(jìn)行編碼

程序入口地址 ：表示程序開始執(zhí)行時(shí)的起始指令位置

數(shù)據(jù) ：程序文件包含的變量初始值和程序使用的字面量值(比如字符串)

符號(hào)表及重定位表 ：描述程序中函數(shù)和變量的位置及名稱，包括調(diào)試和運(yùn)行時(shí)的符號(hào)解析(動(dòng)態(tài)鏈接)

共享庫(kù)和動(dòng)態(tài)鏈接信息 ：程序文件所包含的一些字段，列出程序運(yùn)行時(shí)需要使用的共享庫(kù)，以及加載共享庫(kù)的動(dòng)態(tài)鏈接器的路徑名

其他信息 ：程序文件還包含了很多其他信息，用以描述如何創(chuàng)建進(jìn)程

可以用一個(gè)程序來(lái)創(chuàng)建很多進(jìn)程。

從內(nèi)核角度來(lái)看：

進(jìn)程是內(nèi)核定義的抽象的實(shí)體，并為該實(shí)體分配用以執(zhí)行程序的各項(xiàng)系統(tǒng)資源。

進(jìn)程由用戶內(nèi)存空間和一系列內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，用戶內(nèi)存空間包含了程序代碼及代碼所使用的變量，內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則用于維護(hù)進(jìn)程狀態(tài)信息，其中包括：

進(jìn)程相關(guān)的標(biāo)識(shí)號(hào)

虛擬內(nèi)存表

打開文件的描述表

信號(hào)傳遞和處理的相關(guān)信息

進(jìn)程資源使用及限制

當(dāng)前工作目錄

一些其他信息

2.進(jìn)程號(hào)和父進(jìn)程號(hào)

每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程號(hào) PID，是一個(gè)正數(shù)，唯一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的某個(gè)進(jìn)程。

#include 
#include 

pid_t getpid(void);

getpid 返回值的數(shù)據(jù)類型是 pid_t ，專用于存儲(chǔ)進(jìn)程號(hào)

Linux 內(nèi)核限制進(jìn)程號(hào)需要小于 32767(內(nèi)核常量 PID_MAX 定義)，新進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，內(nèi)核會(huì)按順序?qū)⒁粋€(gè)可用的進(jìn)程號(hào)分配給其使用，進(jìn)程號(hào)到達(dá) 32767 的限制時(shí)，內(nèi)核將重置進(jìn)程號(hào)計(jì)數(shù)器為300(不是1)

#include 
#include 

pid_t getppid(void);

getppid 獲取父進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)

看 /proc/PID/status 文件提供的 PPid 字段可以獲知每個(gè)進(jìn)程的父進(jìn)程

pstree 命令可以查看進(jìn)程家族樹

3.進(jìn)程內(nèi)存布局

每個(gè)進(jìn)程所分配的內(nèi)存都由很多虛擬內(nèi)存邏輯劃分的部分，稱之為 "段"：

文本段 ：包含了進(jìn)程運(yùn)行的程序機(jī)器語(yǔ)言指令，文本段是只讀的，也是可共享的

初始化數(shù)據(jù)段 ：包含顯式初始化的全局變量和靜態(tài)變量

未初始化數(shù)據(jù)段 ：包含了未顯示初始化的全局變量和靜態(tài)變量，程序啟動(dòng)之前，系統(tǒng)將本段內(nèi)所有內(nèi)存初始化為0，這個(gè)段又稱為 BSS(block started by symbol) 段。未初始化的全局變量和靜態(tài)變量與初始化的全局變量和靜態(tài)變量分開放的原因：

程序在磁盤存儲(chǔ)時(shí)，沒(méi)有必要為未經(jīng)初始化的變量分配存儲(chǔ)空間

可執(zhí)行文件只需要記錄未初始化數(shù)據(jù)段的位置及大小，直到運(yùn)行時(shí)再有程序加載器來(lái)分配這一空間

棧：動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)和收縮的段，由棧幀組成，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)當(dāng)前調(diào)用的函數(shù)分配一個(gè)棧幀，棧幀中存儲(chǔ)了函數(shù)的局部變量，實(shí)參和返回值

堆 ：在運(yùn)行時(shí)為變量動(dòng)態(tài)進(jìn)行分配的一塊區(qū)域，堆頂端稱為 program break

初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段又常被稱為用戶初始化數(shù)據(jù)段和零初始化數(shù)據(jù)段。

size 命令可以顯示二進(jìn)制文件的文本段，初始化數(shù)據(jù)段，未初始化數(shù)據(jù)段的大小。

argv 和 environ 用來(lái)存儲(chǔ)程序的命令行實(shí)參和環(huán)境列表

十六進(jìn)制的地址會(huì)因?yàn)閮?nèi)核配置和程序鏈接選項(xiàng)的差異而有所不同

灰色區(qū)域表示這些范圍在進(jìn)程虛擬地址空間中不可用，也就是說(shuō)沒(méi)有為這些區(qū)域創(chuàng)建頁(yè)表

4.虛擬內(nèi)存管理

linux 內(nèi)核采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，該技術(shù)利用了大多數(shù)程序的一個(gè)典型特征，即訪問(wèn)局部性：要求高效使用 CPU 和 RAM(物理內(nèi)存)資源：

空間局部性 ：程序傾向于訪問(wèn)在最近訪問(wèn)過(guò)的內(nèi)存地址附近的內(nèi)存(指令是順序執(zhí)行的)

時(shí)間局部性 ：程序傾向于在不久將來(lái)再次訪問(wèn)最近剛訪問(wèn)的內(nèi)存地址(由于循環(huán))

正是因?yàn)榫植啃蕴卣?，使得程序即便在僅有部分地址空間存在于 RAM 中，依然可以獲得執(zhí)行。

虛擬內(nèi)存的規(guī)劃之一就是將每個(gè)程序使用的內(nèi)存切割成小型的，固定大小的 "頁(yè)" 單元。相應(yīng)的，將 RAM 劃分成一系列與虛擬頁(yè)尺寸相同的頁(yè)幀：

任意時(shí)刻，每個(gè)程序僅有部分頁(yè)駐留在物理內(nèi)存頁(yè)幀中，這些頁(yè)構(gòu)成了所謂的駐留集

程序未使用的頁(yè)拷貝保存在交換區(qū)，交換區(qū)是磁盤空間中的保留區(qū)域，是作為計(jì)算機(jī) RAM 補(bǔ)充，僅在需要時(shí)才會(huì)載入物理內(nèi)存

若進(jìn)程欲訪問(wèn)的頁(yè)面并未駐留在物理內(nèi)存中，將會(huì)發(fā)生頁(yè)面錯(cuò)誤(page fault)，內(nèi)核即刻掛起進(jìn)程的執(zhí)行，同時(shí)從磁盤中將該頁(yè)面載入內(nèi)存

頁(yè)面的大小通常為 4096 個(gè)字節(jié)，但也有的實(shí)現(xiàn)使用更大的頁(yè)面。

內(nèi)核中維護(hù)了一張頁(yè)表，該頁(yè)表描述了每頁(yè)在進(jìn)程虛擬地址空間中的位置：頁(yè)表中的每個(gè)條目要么指出這個(gè)虛擬頁(yè)面在 RAM 中的具體位置，要么表明其駐留在磁盤上。

進(jìn)程虛擬地址空間中，并非所有的地址范圍都需要頁(yè)表?xiàng)l目：

由于可能存在大段的虛擬地址空間并未投入使用，因此也不需要為其維護(hù)頁(yè)表?xiàng)l目

進(jìn)程試圖訪問(wèn)的地址無(wú)頁(yè)表?xiàng)l目與之對(duì)應(yīng)，那么進(jìn)程將收到 SIGSEGV 信號(hào)

由于內(nèi)核能夠?yàn)檫M(jìn)程分配和釋放頁(yè)和頁(yè)表?xiàng)l目，所以進(jìn)程的有效地址范圍在其聲明周期內(nèi)可以發(fā)生變化：

棧向下增長(zhǎng)超出了之前未達(dá)到的位置

堆中分配或者釋放內(nèi)存時(shí)引起 program break 位置的變化

調(diào)用 shmat() 連接 System V 共享內(nèi)存區(qū)或者調(diào)用 shmdt() 脫離共享內(nèi)存區(qū)時(shí)

調(diào)用 mmap() 創(chuàng)建內(nèi)存映射時(shí)，或者調(diào)用 munmap() 解除內(nèi)存映射時(shí)

虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)需要硬件中分頁(yè)內(nèi)存管理單元(PMMU)的支持，PMMU 把要訪問(wèn)的每個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理內(nèi)存地址，當(dāng)特定虛擬內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的頁(yè)沒(méi)有駐留在 RAM 中時(shí)，將以頁(yè)面錯(cuò)誤通知內(nèi)核。

虛擬內(nèi)存管理使虛擬地址空間與 RAM 物理地址隔離，帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)：

進(jìn)程與進(jìn)程，進(jìn)程與內(nèi)核相互隔離，一個(gè)進(jìn)程不能讀寫另一個(gè)進(jìn)程或內(nèi)核中的數(shù)據(jù)，因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程的頁(yè)表?xiàng)l目指向 RAM 或交換分區(qū)中不同的物理頁(yè)面集合

適當(dāng)情況下，兩個(gè)或者更多的進(jìn)程能夠共享內(nèi)存，因?yàn)閮?nèi)核可以使不同進(jìn)程的頁(yè)表?xiàng)l目指向相同的 RAM 頁(yè)，經(jīng)常發(fā)生在下面的情形：

多個(gè)程序執(zhí)行相同的程序文件或者加載相同的共享庫(kù)時(shí)，會(huì)共享一份代碼副本

可以使用 shmget() 和 mmap() 等系統(tǒng)調(diào)用顯式的請(qǐng)求與其它進(jìn)程共享內(nèi)存區(qū)，這么做是出于通信的目的

便于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，可以對(duì)頁(yè)表?xiàng)l目進(jìn)行標(biāo)記，以表示相關(guān)頁(yè)面內(nèi)容是可讀、可寫、可執(zhí)行，多個(gè)進(jìn)程共享 RAM 頁(yè)面時(shí)，允許每個(gè)進(jìn)程對(duì)內(nèi)存采取不同的保護(hù)措施，例如一個(gè)進(jìn)程可能以只讀方式訪問(wèn)某頁(yè)面，而另一進(jìn)程則以讀寫方式訪問(wèn)同一頁(yè)面

程序員和編譯器、鏈接器之類的工具無(wú)需關(guān)注在 RAM 中的物理布局

因?yàn)樾枰v留在內(nèi)存中的僅是程序的一部分，所以程序在加載和運(yùn)行時(shí)都很快，而且，一個(gè)進(jìn)程所占用的虛擬內(nèi)存大小能夠超出 RAM 容量

每個(gè)進(jìn)程使用的 RAM 減少了，RAM 中同時(shí)可以容納的進(jìn)程數(shù)量就增多了，從而任意時(shí)刻，CPU 都可執(zhí)行至少一個(gè)進(jìn)程，CPU 的利用率也會(huì)提高

5.棧和棧幀

棧駐留在內(nèi)存的高端，并向下增長(zhǎng)，專用寄存器——棧指針(stack pointer)，用于跟蹤當(dāng)前棧頂。

每次函數(shù)調(diào)用時(shí)，會(huì)在棧上新分配一幀，每當(dāng)函數(shù)返回，再?gòu)臈Ｉ蠈⒋藥迫ァ?/p>

通常將這里的棧稱為用戶棧，以便與內(nèi)核棧加以區(qū)分，內(nèi)核棧是每個(gè)進(jìn)程駐留在內(nèi)核內(nèi)存中的內(nèi)存區(qū)域，在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程中供內(nèi)核內(nèi)部函數(shù)調(diào)用使用。

每個(gè)用戶棧包括的信息：

函數(shù)實(shí)參和局部變量

函數(shù)調(diào)用鏈接信息

6.命令行參數(shù)

argc 表示命令行參數(shù)的個(gè)數(shù)

argv 是指向命令行參數(shù)的指針數(shù)組，每一個(gè)參數(shù)都是以空字符 null 結(jié)尾的字符串，第一個(gè)參數(shù)，即 argv[0] 通常是程序名，argv[argc] 是 NULL

要想從程序內(nèi)的任一位置訪問(wèn)部分或者全部?jī)?nèi)容，還有兩種方法：

/proc/PID/cmdline 文件可以讀取任一進(jìn)程的命令行參數(shù)，每個(gè)參數(shù)都以 null 字節(jié)終止，程序可以通過(guò) /proc/self/cmdline 文件訪問(wèn)自己的命令行參數(shù)

GNC C 語(yǔ)言庫(kù)提供兩個(gè)全局變量，可以在程序中內(nèi)獲取調(diào)用該程序時(shí)的程序名稱，即命令行的第一個(gè)參數(shù)，定義 _GNU_SOURCE 后，從 中獲?。?/p>

program_invocation_name ：提供了用于調(diào)用該程序的完整路徑名

program_invocation_short_name ：提供了程序基本名稱

argv 駐留于進(jìn)程棧之上的一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，此區(qū)域可存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)有上限要求， 中的 ARG_MAX 常量規(guī)定了其大小，一般要求下限是 4096 個(gè)字節(jié)，調(diào)用 sysconf(_SC_ARB_MAX) 確定此值。

7.環(huán)境列表

每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)與其相關(guān)的稱之為環(huán)境列表的字符串?dāng)?shù)組，或者簡(jiǎn)稱為環(huán)境：

環(huán)境是 "名稱-值" 的成對(duì)集合

常將列表中的名稱稱為環(huán)境變量

新進(jìn)程在創(chuàng)建時(shí)會(huì)繼承其父進(jìn)程的環(huán)境副本，這種傳遞是單向的，一次性的，子進(jìn)程創(chuàng)建后，父、子進(jìn)程均可各自修改自己的環(huán)境變量，且這些變更對(duì)對(duì)方是不可見的

環(huán)境變量常用于 shell 中，通過(guò)在自身環(huán)境變量中存放變量值，shell 可以確保將這些值傳遞給其所創(chuàng)建的進(jìn)程

可以通過(guò)設(shè)置環(huán)境變量來(lái)改變一些庫(kù)函數(shù)的行為

大多數(shù) shell 使用 export 添加環(huán)境變量：

export SHELL=/bin/bash

printenv 命令可以顯示當(dāng)前的環(huán)境列表，export 命令不加任何參數(shù)時(shí)也可以達(dá)到此目的。

通過(guò) /proc/PID/environ 文件可以檢查任一進(jìn)程的環(huán)境列表。

8.從程序中訪問(wèn)環(huán)境

C 語(yǔ)言使用全局變量 char** environ 訪問(wèn)列表。

#include 

char *getenv(const char *name);

根據(jù)換了變量的名稱，返回相應(yīng)的字符串指針，如果該環(huán)境變量不存在則返回 NULL

9.修改環(huán)境

#include 

int putenv(char *string);

向調(diào)用進(jìn)程的環(huán)境添加一個(gè)新的變量或者修改一個(gè)已經(jīng)存在的變量值

string 是指向 name=value 形式的字符串

調(diào)用函數(shù)后，該字符串就稱為環(huán)境變量的一部分，environ 變量的某一元素的指向與 string 參數(shù)指向相同，而非 string 參數(shù)指向字符串的副本，因此：

后續(xù)修改 string 將會(huì)影響進(jìn)程的環(huán)境

string 參數(shù)不能是?？臻g變量

調(diào)用失敗返回非 0 值，而不是 -1

glibc 中將 putenv 做了非標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，如果 string 中不包含 =，環(huán)境列表將會(huì)移除以 string 命名的環(huán)境變量

#include 

int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);

會(huì)為 name=value 的字符串分配內(nèi)存緩沖區(qū)，并將 name 和 value 所指的字符串復(fù)制到緩沖區(qū)，創(chuàng)建一個(gè)新的環(huán)境變量

name 結(jié)尾處 和value開始處不要加 =，因?yàn)?setenv() 會(huì)自動(dòng)添加

name 的環(huán)境變量在環(huán)境中已經(jīng)存在，且參數(shù) overwrite 的值是0，則 setenv() 不改變環(huán)境，如果 overwrite 的值非0，則 setenv() 將總是改變環(huán)境

之后修改 name 和 value 以及使用棧上變量都不會(huì)有影響

#include 

int unsetenv(const char *name);

將 name 指定的環(huán)境變量從環(huán)境列表中移除

#include 

int clearenv(void);

清除環(huán)境變量，即設(shè)置 environ=NULL

需要預(yù)定義 _SVID_SOURCE 或者_(dá)BSD_SOURCE

使用 setenv 和 clearenv() 可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏：

調(diào)用 setenv 分配一塊內(nèi)存緩沖區(qū)，隨即稱為進(jìn)程環(huán)境的一部分，調(diào)用 clearenv 并不會(huì)釋放上述的緩沖區(qū)

但是一般這不會(huì)稱為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槌绦蛞话阍陂_始處調(diào)用 clearenv() 以清除繼承自父進(jìn)程的環(huán)境

10.執(zhí)行非局部跳轉(zhuǎn)

#include 

int setjmp(jmp_buf env);
void longjmp(jmp_buf env, int val);

setjmp() 和 longjmp() 可執(zhí)行非局部跳轉(zhuǎn)，"非局部" 指的是跳轉(zhuǎn)目標(biāo)為當(dāng)前執(zhí)行函數(shù)之外的某個(gè)位置

setjmp() 調(diào)用為后續(xù) longjmp() 調(diào)用執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)確立了跳轉(zhuǎn)目標(biāo)，該目標(biāo)就是程序發(fā)起 setjmp() 調(diào)用的位置

通過(guò)查看 setjmp() 返回的整數(shù)值，可以區(qū)分 setjmp() 是初始返回還是第二次返回：

初始調(diào)用返回 0

后續(xù) "偽返回" 的返回值為 longjmp() 調(diào)用中 val 參數(shù)指定的任意值，如果 val 指定為 0，則 longjmp() 實(shí)際返回時(shí)用 1 替換

setjmp() 將環(huán)境變量 env 參數(shù)中，調(diào)用 longjmp() 時(shí)必須指定相同的 env 變量，因?yàn)樘D(zhuǎn)發(fā)生在不同的函數(shù)，所以：

env 定義為全局變量

env 作為函數(shù)的參數(shù)傳遞，此種方法比較少見

調(diào)用 setjmp() 時(shí)，env 除了保存當(dāng)前進(jìn)程的其他信息外，還保存了程序計(jì)數(shù)器(指向當(dāng)前正在執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言指令) 和棧指針寄存器(標(biāo)記棧頂)的副本，這些信息保證后續(xù) longjmp() 調(diào)用完成后執(zhí)行兩個(gè)關(guān)鍵的操作：

將發(fā)起 longjmp() 調(diào)用的函數(shù)與之前調(diào)用 setjmp() 的函數(shù)之間的函數(shù)棧從棧上剝離，稱為棧解開，這是通過(guò)將棧指針寄存器重置為 env 參數(shù)的保存值

重置程序計(jì)數(shù)寄存器，使得程序得以從初始的 setjmp() 調(diào)用位置繼續(xù)執(zhí)行，這是通過(guò) env 參數(shù)中的程序計(jì)數(shù)寄存器實(shí)現(xiàn)的

編譯器優(yōu)化會(huì)重組程序的指令執(zhí)行順序，并在 CPU 寄存器中而非 RAM 中存儲(chǔ)某些變量，這些優(yōu)化不會(huì)將 setjmp() 和 longjmp() 考慮在內(nèi)，因而當(dāng)有優(yōu)化時(shí)，可能出錯(cuò)。

程序中應(yīng)該盡可能避免使用非局部跳轉(zhuǎn)。