进程的创建与结束

复习

内核态与用户态：为什么普通程序不能随意执行危险操作
系统调用：用户程序怎样安全地请求内核服务
程序如何变成进程：区分静态的程序文件和运行中的进程

TL;DR

进程通常由另一个进程创建，形成父子关系
创建常常分两步：先复制一份（fork），再装入新程序（exec）
进程结束时调用 exit，资源由内核回收
退出状态要由父进程收取，否则会留下“僵尸进程”

正文

　　上一章说，内核能把程序变成进程。可内核自己并不主动去“造”进程——真正发起创建的，往往是一个已经存在的进程。

父与子

　　在大多数操作系统里，创建进程的基本方式是：当前进程调用系统调用，复制出一个新进程。

　　被复制出来的叫子进程，原来的叫父进程。子进程几乎是父进程的翻版——同样的代码、同样的数据、同样的打开文件。之后，父子各走各的路，互不干扰。

　　很多系统把这个过程拆成两步：

fork：复制出一个和父进程几乎一样的子进程
exec：在子进程里装入一个全新的程序，替换掉原来的代码和数据

　　“先克隆，再换人”——这样设计很灵活：可以先在克隆体里做些准备（比如重定向输入输出），再让它变成真正要跑的程序。

结束

　　进程干完活，会调用 exit 退出，并留下一个退出状态（比如 0 表示成功，非 0 表示出错）。

　　但退出不等于“彻底消失”。进程占用的内存、文件等资源，需要内核来回收；而它的退出状态，得由父进程来“收尸”。

　　如果父进程一直不去收，这个已经退出、却还没被清理的进程，就成了僵尸进程（zombie）。它不再运行，却还占着系统里的一条记录。反过来，如果父进程先退出了，留下的子进程会被系统接管，成为孤儿进程（orphan）。

一条完整的生命周期

父进程
  │ fork：复制出子进程
  ▼
子进程
  │ exec：装入新程序
  ▼
运行……            父进程 wait：收取退出状态
  │ exit：退出并留下状态          ▲
  ▼                               │
等待被回收 ────────────────────────┘
  │
  ▼
彻底消失

　　把这张图记住，就能理解很多现象：为什么启动一个程序，常常是“先复制、再替换”；为什么写服务器时，父进程要不停地“收”子进程，否则会攒一堆僵尸。

进程树

　　因为进程都是由别的进程创建的，整个系统里的进程其实构成一棵树：最顶上是一个“祖先进程”，下面分出子进程、孙进程……系统启动后，第一个进程就是这棵树的根。

　　这棵树不是摆设。权限、资源、信号，很多都沿着父子关系传递。理解了“创建靠复制、结束靠回收”，也就理解了这棵树是怎么长起来、又怎么修剪的。

思考题

　　既然 fork 出来的子进程和父进程几乎一模一样，为什么不干脆“创建一个空进程、再装程序”，而要绕一道“先复制”？这样的设计带来了哪些灵活之处？

小结

知识点

进程由已有进程创建，形成父子关系
fork 复制进程，exec 装入新程序
exit 退出并留下退出状态
父进程用 wait 收取状态，否则产生僵尸进程
进程在系统中构成一棵树

参考资料

Wikipedia(zh)：fork：创建进程的系统调用
Wikipedia(zh)：exec：替换进程映像
Wikipedia(zh)：僵尸进程：僵尸与孤儿进程

思考题答案（仅供参考）

　　“先复制、再替换”的妙处在于：克隆出来的子进程继承了父进程已准备好的上下文——打开的文件、设置的输入输出、环境变量等。父进程可以先在克隆体里调整这些，再让 exec 换成真正的程序。比如 shell 要运行一条命令并把它的输出重定向到文件，就可以先在子进程里改好输出方向，再替换成命令程序。若直接“创建空进程”，这些准备就得另想办法。多一步复制，换来的是组合上的极大灵活。

协议

　　本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。

封面图

设计师 | 南国微雪

Keyboard shortcuts

微雪博客