APUE 学习笔记——进程控制

1、子进程与父进程的写时赋值是什么？

• 子进程是父进程的一份一模一样的拷贝，如子进程获取了父进程数据空间、堆、栈的副本。
  • 父子进程共享正文段（因为正文段是只读的）
  • 父子进程并不共享这些数据空间、堆、栈
• 由于创建子进程的目的通常是为了完成某个任务，因此fork之后经常跟随exec，所以很多操作系统的实现并不执行一个父进程数据段、堆和栈的完全拷贝，而是使用写时赋值技术（copy-on-write:COW）
  • 这些区域由父进程和子进程共享，而且内核将它们的访问权限改变为只读
  • 如果父子进程中有一个试图修改这些区域，则内核只为修改区域的那块内存制作一个副本

2、 子进程继承父进程的属性有哪些？

• 当前工作目录、根目录
• 实际用户ID、实际组ID、有效用户ID、有效组ID、附属组ID、进程组ID、会话ID、控制终端、设置用户ID标志和设置组ID标志
• 打开的文件描述符
• 文件模式创建屏蔽字、信号屏蔽和信号处理
• 对任一打开文件描述符的执行时关闭标志、环境、连接的共享存储段、存储映像、资源限制

3、父子进程的文件描述符的继承关系如何？

• 父进程的所有打开的文件描述符都被复制到子进程中。父进程和子进程每个相同的打开描述符共享同一个文件表项
  • 更重要的是：父进程和子进程共享同一个文件偏移量
  • 如果父进程和子进程写同一个描述符指向的文件，但是又没有任何形式的同步，则它们的输出会相互混合
    • 如果父进程fork之后的任务就是等待子进程完成，而不作任何其他的事情，则父进程和子进程无需对打开的文件描述符做任何处理。因为此时只有子进程处理文件
    • 如果父进程fork之后，父进程与子进程都有自己的任务要处理，则此时父进程和子进程需要各自关闭它们不需要使用的文件描述符，从而避免干扰对方的文件操作

4、父子进程的区别有哪些？

• 子进程的tms_utime,tms_stime,tms_cutime,tms_ustime的值设置为0
• 子进程不继承父进程设置的文件锁
• 子进程的未处理闹钟被清除
• 子进程的未处理信号集设置为空集

5、vfork 与 fork 直接的区别？

• vfork用于创建一个新进程，该新进程的目的是exec一个新程序，所以vfork并不将父进程的地址空间拷贝到子进程中。

  • vfork的做法是：在调用exec或者exit之前，子进程在父进程的空间中运行

  所以在exec或者exit之前，子进程可以篡改父进程的数据空间

• vfork保证子进程优先运行，在子进程调用exec或者exit之后父进程才可能被调度运行

  当子进程调用exec或者exit中的任何一个时，父进程会恢复运行，在此之前内核会使父进程处于休眠状态

6、父进程如何获知子进程已经结束？

内核为每个终止子进程保存了一定量的信息，所以当终止进程的父进程调用wait函数或者waitpid函数时，可以得到这些信息。

• 这些信息至少包括：终止进程的进程ID、终止进程的终止状态、终止进程的使用的CPU时间总量
• 内核此时可以释放终止进程使用的所有内存，关闭它所有的打开文件。但是该终止进程还残留了上述信息等待父进程处理
• 如果父进程在子进程之前终止，那么内核会将该子进程的父进程改变为init进程，称作由init进程收养。其原理为：
  • 在一个进程终止时，内核逐个检查所有活动进程，以判断这些活动进程是否是正要终止的进程的子进程
  • 如果是，则该活动进程的父进程ID就改为 1
• 对于init超级进程，它被设计成：任何时候只要有一个子进程终止，就立即调用wait函数取得其终止状态。这种做法防止系统中塞满了僵死进程
• 当一个进程终止时，内核就向其父进程发送SIGCHLD信号。这种信号是一个异步信号，因为该信号可能在任何时间发出
  • 父进程可以选择忽略此信号。这是系统的默认行为
  • 父进程也可以针对此信号注册一个信号处理程序，从而当接收到该信号时调用相应的信号处理程序
• 我们称一个已经终止、但是等待父进程对它进行善后处理的进程称作僵死进程，在ps命令中显示为Z
  • 所谓善后处理，就是父进程调用wait函数或者waitpid函数读取终止进程的残留信息
  • 一旦父进程进行了善后处理，则终止进程的所有占用资源（包括残留信息）都得到释放，该进程被彻底销毁

7、waitpid 的 pid 参数与 options 参数设置？

• pid：
  • 如果pid==-1：则等待任意一个子进程终止
  • 如果pid>0：则等待进程ID等于pid的那个子进程终止
  • 如果pid==0：则等待组ID等于调用进程组ID的任一子进程终止
  • 如果pid<0：等待组ID等于pid绝对值的任一子进程终止
• options：或者是0，或者是下列常量按位或的结果：
  • WNOHANG：没有指定的子进程终止时，并不阻塞程序的执行
  • WUNTRACED：执行作业控制。若操作系统支持作业控制，则由pid指定的任一子进程在停止后已经继续，但其状态尚未报告，则返回其状态
  • WCONTINUED：执行作业控制。若操作系统支持作业控制，则由pid指定的任一子进程已处于停止状态，并且其状态自停止以来尚未报告过，则返回其状态

8、wait 与 waitpid 之间的区别？

• wait的语义是等待任何一个子进程终止：

  • 如果当前进程的所有子进程都还在运行，则阻塞
  • 如果有一个子进程已终止，正在等待父进程获取其终止状态，则当前进程取得该子进程的终止状态并立即返回
  • 如果当前进程没有任何子进程，则立即出错返回

• waitpid的语义是等待指定的子进程终止：

  • 如果当前进程的所有子进程都在运行：
    • 如果options指定为WNOHANG，则waitpid并不阻塞，而是立即返回 0
    • 如果options未指定为WNOHANG，则waitpid阻塞
  • 如果指定pid的子进程已终止，正在等待父进程获取其终止状态，则当前进程取得该子进程的终止状态并立即返回
  • 如果指定的pid有问题（如不存在，或者不是当前进程的子进程），则立即出错返回

• 对于出错的情况：

  • wait出错的原因是：
    • 调用进程没有子进程
    • 函数调用（正在阻塞中）被一个信号中断
  • waitpid出错的原因是：
    • 指定的进程或者进程组不存在
    • pid指定的进程不是调用进程的子进程
    • 函数调用（正在阻塞中）被一个信号中断

9、waitid 函数中 idtype 与 options 参数的意义？

• idtype：指定了id类型，可以为下列常量
  • P_PID：等待特定进程。此时id表示要等待的子进程的进程ID
  • P_GID：等待属于特定进程组的任一子进程。此时id表示要等待的进程组ID
  • P_ALL：等待任一子进程。此时忽略id
• options：指示调用者关心哪些状态变化。可以是下列常量的按位或：
  • WCONTINUED：等待这样的子进程：它以前曾被停止过，此后又继续执行，但是其状态尚未报告
  • WEXITED：等待已经终止的子进程
  • WNOHANG：如无可用的子进程终止状态，立即返回而不是阻塞
  • WNOWAIT：不破坏子进程的终止状态，该子进程的终止状态可以由后续的wait,waitid,waitpid调用取得
  • WSTOPPED：等待这样的子进程：它已经停止，但是其状态尚未报告

10、exec 几个函数之间的区别？

• 前四个函数取路径名作为参数；后两个函数取文件名作为参数；最后一个取文件描述符做参数

  • 若filename中包含/，则视为路径名
  • 若filename不包含/，则按照PATH环境变量指定的各个目录中搜寻可执行文件

• 函数execl,execlp,execle要求将新程序的每个命令行参数都说明为一个单独的参数，这种参数表以空指针结尾；函数execv,execvp,execve,fexecve应先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该指针数组的地址作为参数

  • l表示列表list
  • v表示矢量vector
  • l形式中，必须以空指针结尾，否则新程序根本不知道要读取多少个参数。空指针就是命令行参数序列终止的标记
  • v形式中，数组的最后一个元素必须是空指针，否则报错。

• 以e结尾的execle,execve,fexecve可以传递一个指向环境字符串指针数组的指针。注意这个数组的最后一个元素必须是空指针，否则报错。其他四个函数则使用调用进程的environ变量为新程序复制现有的环境

• 在很多UNIX操作系统中，这7个函数只有execve是内核的系统调用。另外 6 个只是库函数。它们最终都要调用该系统调用

  11、exec 系列函数对进程属性有什么影响？

• 执行exec之后，新程序的进程ID不变，进程的大多数属性不变。但是对打开文件的处理要注意：

  • 进程中每个打开的文件描述符都有一个执行时关闭标志。若设置了此标志，则执行exec时会关闭该文件描述符；
  • 否则该文件描述符仍然保持打开。系统默认行为是不设置执行时关闭标志

• 执行exec之后，进程的实际用户 ID 和实际组 ID不变，但是进程的有效用户 ID 要注意：

  • 进程的有效用户 ID 和有效组 ID 是否改变取决于所执行程序文件的设置用户 ID 和设置组 ID 位是否设置。
    • 若程序文件的设置用户 ID 位已设置，则进程的有效用户 ID 变成程序文件所有者的 ID；否则有效用户 ID 不变
    • 若程序文件的设置组 ID 位已设置，则进程的有效组 ID 变成程序文件所有组的 ID；否则有效组 ID 不变

12、system 函数与 exec 的区别？

• system 用于将一个字符作为命令来执行。它等同于同时调用了 fork、exec、waitpid

• system相较于fork+exec的优点是：system进行了所需的各种出错处理以及各种信号处理。缺点是：一旦调用system的进程具有超级用户权限，则system执行的命令也具有超级用户权限。

  因为system的实现过程中并没有更改有效用户ID和实际用户ID的操作。

  • 因此如果一个进程以特殊的权限运行，而它又想生成另一个进程执行另外一个程序，则它应该直接使用fork_exec并且在fork之后，exec之前改回普通权限。
  • 设置用户ID和设置组ID程序绝不应该调用system函数

13、 setuid、setuid 设置的规则？

• 如果进程具有超级用户特权，则setuid函数将实际用户ID，有效用户ID以及保存的设置用户ID(saved set-user-ID) 全部设置为uid（此时uid没有限制）
• 如果进程没有超级用户特权，但是uid等于实际用户ID或者保存的设置用户ID，则setuid只会将有效用户ID设置为uid，不改变实际用户ID和保存的设置用户ID
• 如果上面两个条件都不满足，则errno设置为EPERM并返回 -1
• 上述讨论中，假设_POSIX_SAVED_IDS为真。如果为提供此功能，则对于保存的设置用户ID部分都无效
• 针对setgid的讨论类似setuid

14、 seteuid、seteuid 设置的规则？

• 如果进程具有超级用户权限，则seteuid将设置进程的有效用户ID为uid（此时uid没有限制）
• 如果进程没有超级用户权限，则seteuid只能将进程的有效用户ID设置为它的实际用户ID或者保存的设置用户ID
• 针对setegid的讨论类似seteuid

API

pid_t getpid(void);  // 返回值：调用进程的进程ID
pid_t getppid(void); // 返回值：调用进程的父进程ID
uid_t getuid(void);  // 返回值：返回进程的实际用户ID
uid_t geteuid(void); // 返回值：返回进程的有效用户ID
gid_t getgid(void);  // 返回值：返回进程的实际组ID
gid_t getegid(void); // 返回值：返回进程的有效组ID

pid_t fork(void);

pid_t wait(int *staloc);
pid_t waitpid(pid_t pid,int *staloc,int options);

WIFEXITED(status)：如果子进程正常终止，则为真。此时可以执行`WEXITSTATUS(status)`获取子进程的退出状态的低 8 位
WIFSIGNALED(status)：如果子进程异常终止，则为真。此时可以执行`WTERMSIG(status)`获取使得子进程终止的信号编号
WIFSTOPPED(status)：如果子进程的当前状态为暂停，则为真。此时可执行`WSTOPSIG(status)`获取使得子进程暂停的信号编号
WIFCONTINUED(status):如果子进程在暂停后已经继续执行了，则为真。

int waitid(idtype_t idtype,id_t id,siginfo_t *infop,int options);

pid_t wait3(int *staloc,int options,struct rusage *rusage);
pid_t wait4(pid_t pid,int *staloc,int options,struct rusage *rusage);

int execl(const char *pathname,const char *arg0,.../*(char *) 0 */);
int execv(const char *pathname,char *const argv[]);
int execle(const char *pathname,const char *arg0,.../*(char *) 0,char *const envp[] */);
int execve(const char *pathname,char *const argv[],char *const envp[]);
int execlp(const char *filename,const char*arg0,.../*(char *) 0*/);
int execvp(const char *filename, char *const argv[]);
int fexecve(int fd,char *const argv[],char *const evnp[]);

int system(const char *cmdstring);

int seteuid(uid_t uid);
int setegid(gid_t gid);
int seteuid(uid_t uid);
int setegid(gid_t gid);
char *getlogin(void);

clock_t times(struct tms *buf);//返回流逝的墙上始终时间（以时钟滴答数为单位）;调用两次`times`，然后取两次墙上时钟的差值
struct tms{
    clock_t tms_utime;  //用户 CPU 时间
    clock_t tms_stime;  //系统 CPU 时间
    clock_t tms_cutime; //终止的子进程的用户 CPU 时间的累加值
    clock_t tms_cstime; //终止的子进程的系统 CPU 时间的累加值
}

int nice(int incr);
int getpriority(int which,id_t who);
int setpriority(int which,id_t who,int value);

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