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当你在 Linux 上启动一个进程时会发生什么?

2018-01-19 11:32    收藏: 2    

本文是关于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的。你或许已经知道,也有人还不知道。几年前当我了解到这些时,我惊叹不已。

我们要做的是启动一个进程。我们已经在博客上讨论了很多关于系统调用的问题,每当你启动一个进程或者打开一个文件,这都是一个系统调用。所以你可能会认为有这样的系统调用:

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

这是一个合理的想法,显然这是它在 DOS 或 Windows 中的工作原理。我想说的是,这并不是 Linux 上的工作原理。但是,我查阅了文档,确实有一个 posix_spawn 的系统调用基本上是这样做的,不过这不在本文的讨论范围内。

fork 和 exec

Linux 上的 posix_spawn 是通过两个系统调用实现的,分别是 forkexec(实际上是 execve),这些都是人们常常使用的。尽管在 OS X 上,人们使用 posix_spawn,而 forkexec 是不提倡的,但我们将讨论的是 Linux。

Linux 中的每个进程都存在于“进程树”中。你可以通过运行 pstree 命令查看进程树。树的根是 init,进程号是 1。每个进程(init 除外)都有一个父进程,一个进程都可以有很多子进程。

所以,假设我要启动一个名为 ls 的进程来列出一个目录。我是不是只要发起一个进程 ls 就好了呢?不是的。

我要做的是,创建一个子进程,这个子进程是我(me)本身的一个克隆,然后这个子进程的“脑子”被吃掉了,变成 ls

开始是这样的:

my parent
    |- me

然后运行 fork(),生成一个子进程,是我(me)自己的一份克隆:

my parent
    |- me
       |-- clone of me

然后我让该子进程运行 exec("ls"),变成这样:

my parent
    |- me
       |-- ls

当 ls 命令结束后,我几乎又变回了我自己:

my parent
    |- me
       |-- ls (zombie)

在这时 ls 其实是一个僵尸进程。这意味着它已经死了,但它还在等我,以防我需要检查它的返回值(使用 wait 系统调用)。一旦我获得了它的返回值,我将再次恢复独自一人的状态。

my parent
    |- me

fork 和 exec 的代码实现

如果你要编写一个 shell,这是你必须做的一个练习(这是一个非常有趣和有启发性的项目。Kamal 在 Github 上有一个很棒的研讨会:https://github.com/kamalmarhubi/shell-workshop)。

事实证明,有了 C 或 Python 的技能,你可以在几个小时内编写一个非常简单的 shell,像 bash 一样。(至少如果你旁边能有个人多少懂一点,如果没有的话用时会久一点。)我已经完成啦,真的很棒。

这就是 forkexec 在程序中的实现。我写了一段 C 的伪代码。请记住,fork 也可能会失败哦。

int pid = fork();
// 我要分身啦
// “我”是谁呢?可能是子进程也可能是父进程
if (pid == 0) {
    // 我现在是子进程
    // “ls” 吃掉了我脑子,然后变成一个完全不一样的进程
    exec(["ls"])
} else if (pid == -1) {
    // 天啊,fork 失败了,简直是灾难!
} else {
    // 我是父进程耶
    // 继续做一个酷酷的美男子吧
    // 需要的话,我可以等待子进程结束
}

上文提到的“脑子被吃掉”是什么意思呢?

进程有很多属性:

  • 打开的文件(包括打开的网络连接)
  • 环境变量
  • 信号处理程序(在程序上运行 Ctrl + C 时会发生什么?)
  • 内存(你的“地址空间”)
  • 寄存器
  • 可执行文件(/proc/$pid/exe
  • cgroups 和命名空间(与 Linux 容器相关)
  • 当前的工作目录
  • 运行程序的用户
  • 其他我还没想到的

当你运行 execve 并让另一个程序吃掉你的脑子的时候,实际上几乎所有东西都是相同的! 你们有相同的环境变量、信号处理程序和打开的文件等等。

唯一改变的是,内存、寄存器以及正在运行的程序,这可是件大事。

为何 fork 并非那么耗费资源(写入时复制)

你可能会问:“如果我有一个使用了 2GB 内存的进程,这是否意味着每次我启动一个子进程,所有 2 GB 的内存都要被复制一次?这听起来要耗费很多资源!”

事实上,Linux 为 fork() 调用实现了写时复制copy on write,对于新进程的 2GB 内存来说,就像是“看看旧的进程就好了,是一样的!”。然后,当如果任一进程试图写入内存,此时系统才真正地复制一个内存的副本给该进程。如果两个进程的内存是相同的,就不需要复制了。

为什么你需要知道这么多

你可能会说,好吧,这些细节听起来很厉害,但为什么这么重要?关于信号处理程序或环境变量的细节会被继承吗?这对我的日常编程有什么实际影响呢?

有可能哦!比如说,在 Kamal 的博客上有一个很有意思的 bug。它讨论了 Python 如何使信号处理程序忽略了 SIGPIPE。也就是说,如果你从 Python 里运行一个程序,默认情况下它会忽略 SIGPIPE!这意味着,程序从 Python 脚本和从 shell 启动的表现会有所不同。在这种情况下,它会造成一个奇怪的问题。

所以,你的程序的环境(环境变量、信号处理程序等)可能很重要,都是从父进程继承来的。知道这些,在调试时是很有用的。


via: https://jvns.ca/blog/2016/10/04/exec-will-eat-your-brain/

作者:Julia Evans 译者:jessie-pang 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出

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