簡介
進(jìn)程與線程是所有的程序員都熟知的概念待诅，簡單來說進(jìn)程是一個執(zhí)行中的程序卑雁，而線程是進(jìn)程中的一條執(zhí)行路徑绪囱。進(jìn)程是操作系統(tǒng)中基本的抽象概念，本文介紹 Linux 中進(jìn)程和線程的用法以及原理扣甲，包括創(chuàng)建齿椅、消亡等涣脚。
進(jìn)程
創(chuàng)建與執(zhí)行
Linux 中進(jìn)程的創(chuàng)建與執(zhí)行分為兩個函數(shù)涩澡，分別是 fork 和 exec妙同，如下代碼所示：
int main() {
pid_t pid;
if ((pid = fork() < 0) {
printf("fork error\n");
} else if (pid == 0) {
// child
if (execle("/home/work/bin/test1", "test1", NULL) < 0) {
printf("exec error\n");
}
}
// parent
if (waitpid(pid, NULL) < 0) {
printf("wait error\n");
}
}
fork 從當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建一個子進(jìn)程胰耗，此函數(shù)返回兩次柴灯，對于父進(jìn)程而言赠群，返回的是子進(jìn)程的進(jìn)程號查描，對于子進(jìn)程而言返回 0。子進(jìn)程是父進(jìn)程的副本冬三，擁有與父進(jìn)程一樣的數(shù)據(jù)空間匀油、堆和棧的副本勾笆，并且共享代碼段。
由于子進(jìn)程通常是為了調(diào)用 exec 裝載其它程序執(zhí)行窝爪，所以 Linux 采用了寫時拷貝技術(shù)钝侠，即數(shù)據(jù)段酸舍、堆和棧的副本并不會在 fork 之后就真的拷貝，只是將這些內(nèi)存區(qū)域的訪問權(quán)限變?yōu)橹蛔x里初，如果父子進(jìn)程中有任一個要修改這些區(qū)域，才會修改對應(yīng)的內(nèi)存頁生成新的副本双妨，這樣子是為了提高性能刁品。
fork 之后父進(jìn)程先執(zhí)行還是子進(jìn)程先執(zhí)行是不確定的挑随，所以如果要求父子進(jìn)程進(jìn)行同步兜挨，往往需要使用進(jìn)程間通信膏孟。fork 之后子進(jìn)程會繼承父進(jìn)程的很多東西，如：
- 打開的文件
- 實(shí)際用戶 ID噪舀、組用戶 ID 等
- 進(jìn)程組
- 當(dāng)前工作目錄
- 信號屏蔽和安排
- ...
父子進(jìn)程的區(qū)別在于：
- 進(jìn)程 ID 不同
- 子進(jìn)程不繼承父進(jìn)程的文件鎖
- 子進(jìn)程的未處理信號集為空
- ...
fork 之后魁淳，子進(jìn)程可以執(zhí)行不同的代碼段飘诗，也可以使用 exec 函數(shù)執(zhí)行其它的程序。
進(jìn)程描述符
進(jìn)程在運(yùn)行的時候界逛，除了加載程序昆稿，還會打開文件、占用一些資源仇奶，并且會進(jìn)入睡眠等其它狀態(tài)貌嫡。操作系統(tǒng)為了支持進(jìn)程的運(yùn)行，必然有一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存著這些東西该溯。在 Linux 中岛抄，一個名為 task_struct 的結(jié)構(gòu)保存了進(jìn)程運(yùn)行時的所有信息，稱為進(jìn)程描述符：
struct task_struct {
unsigned long state;
int prio;
pid_t pid;
...
}
進(jìn)程描述符完整描述了一個進(jìn)程：打開的文件狈茉、進(jìn)程的地址空間夫椭、掛起的信號以及進(jìn)程的信號等。系統(tǒng)將所有的進(jìn)程描述符放在一個雙端循環(huán)列表中：
進(jìn)程描述符具體存放在內(nèi)存的哪里呢氯庆？在內(nèi)核棧的末尾蹭秋。眾所周知，進(jìn)程中占用的內(nèi)存一部分是棧堤撵，主要用于函數(shù)調(diào)用仁讨，不過這里說的棧一般指的是用戶空間的棧，其實(shí)進(jìn)程還有內(nèi)核棧实昨。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的時候洞豁，進(jìn)程陷入內(nèi)核，此時內(nèi)核代表進(jìn)程執(zhí)行某個操作荒给，此時使用的是內(nèi)核空間的棧丈挟。
進(jìn)程狀態(tài)
進(jìn)程描述符中的 state 描述了進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)，有如下 5 種：
- TASK_RUNNING：進(jìn)程是可執(zhí)行的志电，此時進(jìn)程要么是正在執(zhí)行曙咽，要么是在運(yùn)行隊(duì)列中等待被調(diào)度
- TASK_INTERRUPTIBLE：進(jìn)程正在睡眠（阻塞），等待條件達(dá)成挑辆。如果條件達(dá)成或者收到信號例朱，進(jìn)程會被喚醒并且進(jìn)入可運(yùn)行狀態(tài)
- TASK_UNINTERRUPTIBLE：進(jìn)程處于不可中斷狀態(tài)，就算信號也無法喚醒鱼蝉，這種狀態(tài)用的比較少
- _TASK_TRACED：進(jìn)程正在被其它進(jìn)程追蹤茉继，通常是為了調(diào)試
- _TASK_STOPPED：進(jìn)程停止運(yùn)行，通常是接收到 SIGINT蚀乔、SIGTSTP 信號的時候烁竭。
fork 與 vfork
在使用了寫時拷貝后，fork 的實(shí)際開銷就是復(fù)制父進(jìn)程的頁表以及給子進(jìn)程創(chuàng)建唯一的進(jìn)程描述符吉挣。fork 為了創(chuàng)建一個進(jìn)程到底做了什么呢派撕？fork 其實(shí)調(diào)用了 clone婉弹，這是一個系統(tǒng)調(diào)用，通過給 clone 傳遞參數(shù)终吼，表明父子進(jìn)程需要共享的資源镀赌，clone 內(nèi)部會調(diào)用 do_fork，而 do_fork 的主要邏輯在 copy_process 中际跪，大致有以下幾步：
- 為新進(jìn)程創(chuàng)建一個內(nèi)核棧以及 task_struct商佛，此時它們的值與父進(jìn)程相同
- 將 task_struct 中某些變量，如統(tǒng)計(jì)信息姆打，設(shè)置為 0
- 將子進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為 TASK_UNINTERRUPTIBLE良姆，保證它不會被投入運(yùn)行
- 分配 pid
- 根據(jù)傳遞給
clone的參數(shù)，拷貝或者共享打開的文件幔戏、文件系統(tǒng)信息玛追、信號處理函數(shù)以及進(jìn)程的地址空間等。 - 返回指向子進(jìn)程的指針
除了 fork 之外闲延，Linux 還有一個類似的函數(shù) vfork痊剖。它的功能與 vfork 相同，子進(jìn)程在父進(jìn)程的地址空間運(yùn)行垒玲。不過陆馁，父進(jìn)程會阻塞，直到子進(jìn)程退出或者執(zhí)行 exec合愈。需要注意的是叮贩，子進(jìn)程不能向地址空間寫入數(shù)據(jù)。如果子進(jìn)程修改數(shù)據(jù)想暗、進(jìn)行函數(shù)調(diào)用或者沒有調(diào)用 exec 那么會帶來未知的結(jié)果。vfork 在 fork 沒有寫時拷貝的技術(shù)時是有著性能優(yōu)勢帘不，現(xiàn)在已經(jīng)沒有太大的意義说莫。
退出
進(jìn)程的運(yùn)行終有退出的時候，有 8 種方式使進(jìn)程終止寞焙，其中 5 中為正常終止：
- 從 main 返回
- 調(diào)用 exit
- 調(diào)用 _exit 或 _Exit
- 最后一個線程從其啟動例程返回
- 從最后一個線程調(diào)用 pthread_exit
異常終止方式有 3 種：
- 調(diào)用 abort
- 接收到一個信號
- 最后一個線程對取消請求作出響應(yīng)
exit 函數(shù)會執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) I/O 庫的清理關(guān)閉操作：對所有打開的流調(diào)用 fclose 函數(shù)储狭，所有緩沖中的數(shù)據(jù)會被沖洗，而 _exit 會直接陷入內(nèi)核捣郊×杀罚看下面的代碼：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
printf("line 1\n");
printf("line 2"); // 沒有換行符
// exit(0)
_exit(0);
}
其中第二行輸出沒有 \n，如果末尾調(diào)用的是 _exit呛牲，則只會輸出 line 1刮萌，如果替換為 exit，則第二行 line 2 也會輸出娘扩。
進(jìn)程退出最終會執(zhí)行到系統(tǒng)的 do_exit 函數(shù)着茸，主要有以下步驟：
- 刪除進(jìn)程定時器
- 釋放進(jìn)程占用的頁表
- 遞減文件描述符的引用計(jì)數(shù)壮锻，如果某個引用計(jì)數(shù)為 0，則關(guān)閉文件
- 向父進(jìn)程發(fā)信號涮阔，給子進(jìn)程重新找養(yǎng)父猜绣，并且把進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為 EXIT_ZOMBIE
- 調(diào)度其它進(jìn)程
此時，進(jìn)程的大部分資源都被釋放了敬特，并且不會進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)掰邢。不過還有些資源保持著，主要是 task_struct 結(jié)構(gòu)伟阔。之所以要留著是給父進(jìn)程提供信息辣之，讓父進(jìn)程知道子進(jìn)程的一些信息，如退出碼等减俏。
需要注意的是召烂，如果父進(jìn)程不進(jìn)行任何操作，那么這些信息會一直保留在內(nèi)存中娃承，成為僵尸進(jìn)程奏夫，占用系統(tǒng)資源，如下面的代碼：
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
exit(0);
} else {
sleep(10);
}
}
父進(jìn)程 fork 出子進(jìn)程后历筝，子進(jìn)程立刻退出酗昼，而父進(jìn)程則進(jìn)入睡眠。運(yùn)行程序梳猪，觀察進(jìn)程狀態(tài)：
可以看到麻削，第一行進(jìn)程為父進(jìn)程，狀態(tài)為 S春弥，表示其正在睡眠呛哟，而第二為子進(jìn)程，狀態(tài)為 Z匿沛，表示僵尸狀態(tài)(zombie)扫责，因?yàn)榇藭r子進(jìn)程已經(jīng)退出，然而 task_struct 還保存著逃呼，等待父進(jìn)程來處理鳖孤。
父進(jìn)程如何處理？調(diào)用 wait 函數(shù)抡笼，正如本文第一段代碼中所示苏揣。當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用 wait 后，子進(jìn)程的 task_struct 才被釋放推姻。
如果父進(jìn)程先結(jié)束了呢平匈？在父進(jìn)程結(jié)束的時候，會為其子進(jìn)程找新的父進(jìn)程，一直往上找吐葱，最終成為 init 進(jìn)程的子進(jìn)程街望。init 子進(jìn)程會負(fù)責(zé)調(diào)用 wait 釋放子進(jìn)程的遺留信息。
線程
上面介紹了 Linux 中的進(jìn)程弟跑，那么線程又是怎么的灾前？網(wǎng)上一些說法是，Linux 中并沒有真正的內(nèi)核線程孟辑，線程是以進(jìn)程的方式實(shí)現(xiàn)的哎甲，只不過它們之間會共享內(nèi)存。這種說法有一定道理饲嗽，但并不完全準(zhǔn)確炭玫。
Linux 中剛開始是不支持線程的，后來出現(xiàn)了線程庫 LinuxThreads貌虾，不過它有很多問題吞加，主要是與 POXIS 標(biāo)準(zhǔn)不兼容。自 Linux 2.6 以來尽狠，Linux 中使用的就是新的線程庫衔憨，NPTL(Native POSIX Thread Library)。
NPTL 中線程的創(chuàng)建也是通過 clone 實(shí)現(xiàn)的袄膏，并且通過以下的參數(shù)表明了線程的特征：
CLONE_VM | CLONE_FILES | CLONE_FS | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD | CLONE_SETTLS |
CLONE_PARENT_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | CLONE_SYSVSEM
部分參數(shù)的含義如下：
- CLONE_VM：所有線程都共享同一個進(jìn)程地址空間
- CLONE_FILES：所有線程都共享進(jìn)程的文件描述符列表
- CLONE_THREAD：所有線程都共享同一個進(jìn)程 ID 以及 父進(jìn)程 ID
NPTL 所實(shí)現(xiàn)的線程庫是 1:1 的從用戶線程映射到內(nèi)核線程践图，并且內(nèi)核為了實(shí)現(xiàn) POSIX 的線程標(biāo)準(zhǔn)也做了一些改動，比如對于信號的處理等沉馆。所以說 Linux 內(nèi)核完全不區(qū)分進(jìn)程和線程码党，甚至不知道線程的存在這種說法現(xiàn)在是不準(zhǔn)確的。
線程間共享代碼段斥黑、堆以及打開的文件等揖盘，線程私有的部分有以下內(nèi)容：
- 線程 ID
- 寄存器
- 錯誤碼（errno）
- 棧
- 信號屏蔽
- ...
總結(jié)
Linux 中進(jìn)程與線程的使用是程序員必備的技能，而如果能了解一些實(shí)現(xiàn)的原理锌奴，則可以使用的更加得心應(yīng)手兽狭。本文介紹了 Linux 中進(jìn)程的創(chuàng)建、執(zhí)行以及消亡等缨叫，對于線程的實(shí)現(xiàn)及其與進(jìn)程的關(guān)系也進(jìn)行了簡單的說明椭符。進(jìn)程和線程還有更多的內(nèi)容可以研究荔燎，如進(jìn)程調(diào)度耻姥、進(jìn)程以及線程間的通信等。
參考
- 《UNIX 環(huán)境高級編程》
- 《Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》
