进程&线程

进程

Linux创建进程采用fork()和exec()

• fork: 采用复制当前进程的方式来创建子进程，此时子进程与父进程的区别仅在于pid, ppid以及资源统计量(比如挂起的信号)
• exec：读取可执行文件并载入地址空间执行；一般称之为exec函数族，有一系列exec开头的函数，比如execl, execve等

进程创建

• Linux进程创建： 通过fork()系统调用创建进程
• Linux用户级线程创建：通过pthread库中的pthread_create()创建线程
• Linux内核线程创建： 通过kthread_create()
  Linux线程，也并非”轻量级进程”，在Linux看来线程是一种进程间共享资源的方式，线程可看做是跟其他进程共享资源的进程。

fork, vfork, clone根据不同参数调用do_fork：

• pthread_create: flags参数为 CLONE_VM, CLONE_FS, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND
• fork: flags参数为 SIGCHLD
• vfork: flags参数为 CLONE_VFORK, CLONE_VM, SIGCHLD

fork的具体流程

进程/线程创建的方法fork(),pthread_create(), 万物归一，最终在linux都是调用do_fork方法。 当然还有vfork其实也是一样的， 通过系统调用到sys_vfork，然后再调用do_fork方法，该方法 现在很少使用，所以下图省略该方法。

fork执行流程:

1. 用户空间调用fork()方法;
2. 经过syscall陷入内核空间, 内核根据系统调用号找到相应的sys_fork系统调用;
3. sys_fork()过程会在调用do_fork(), 该方法参数有一个flags很重要, 代表的是父子进程之间需要共享的资源; 对于进程创建flags=SIGCHLD, 即当子进程退出时向父进程发送SIGCHLD信号;
4. do_fork(),会进行一些check过程,之后便是进入核心方法copy_process.

进程复制

使用fork函数得到的子进程从父进程的继承了整个进程的地址空间，包括：进程上下文、进程堆栈、内存信息、打开的文件描述符、信号控制设置、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制、控制终端等。

子进程与父进程的区别在于：

1. 父进程设置的锁，子进程不继承（因为如果是排它锁，被继承的话，矛盾了）
2. 各自的进程ID和父进程ID不同
3. 子进程的未决告警被清除；
4. 子进程的未决信号集设置为空集。

写时复制（copy on write）

linux系统为了提高系统性能和资源利用率，在fork出一个新进程时，系统并没有真正复制一个副本。

如果多个进程要读取它们自己的那部分资源的副本，那么复制是不必要的。每个进程只要保存一个指向这个资源的指针就可以了。

如果一个进程要修改自己的那份资源的“副本”，那么就会复制那份资源。这就是写时复制的含义

fork 和vfork：
在fork还没实现copy on write之前。Unix设计者很关心fork之后立刻执行exec所造成的地址空间浪费，所以引入了vfork系统调用。

vfork有个限制，子进程必须立刻执行_exit或者exec函数。

即使fork实现了copy on write，效率也没有vfork高，但是我们不推荐使用vfork，因为几乎每一个vfork的实现，都或多或少存在一定的问题。

孤儿进程&僵尸进程

fork系统调用之后，父子进程将交替执行，执行顺序不定。

• 孤儿进程：如果父进程先退出，子进程还没退出那么子进程的父进程将变为init进程（托孤给了init进程）。（注：任何一个进程都必须有父进程）

• 僵尸进程：如果子进程先退出，父进程还没退出，那么子进程必须等到父进程捕获到了子进程的退出状态才真正结束，否则这个时候子进程就成为僵进程（僵尸进程：只保留一些退出信息供父进程查询）

  僵尸进程的影响：
  比如进程采用exit()退出的时候，操作系统会进行一些列的处理工作，包括关闭打开的文件描述符、占用的内存等等，但是，操作系统也会为该进程保留少量的信息，以供父进程使用。例如进程的ID号、进程的退出状态、进程运行的CPU时间等，因而占用了系统的资源。
  在一种极端的情况下，档僵尸进程过多的时候，占用了大量的进程ID，系统将无法产生新的进程，相当于系统的资源被耗尽。
  

• 代码例子-孤儿进程

  #include <unistd.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/wait.h>
  #include <cstdio>
  #include <cstdlib>
  #include <iostream>
  using namespace std;
  
  int main(int argc, char const *argv[])
  {
  	int childpid = 0;
  	int i;
  	
  	pid_t pid = fork();
  	if (pid == 0) {
  		//child process
  		sleep(20);
  		printf("child:%d, parent: %d\n", getpid(), getppid());
  		
  		
  		// char * execv_str[] = {"echo", "executed by execv",NULL};
  		// if (execv("/bin/echo",execv_str) <0 ){
  		// 	perror("error on exec");
  		// 	exit(0);
  		// }
  		
  		printf("child process end\n\n");
  	} else if (pid > 0) {
  		//parent process
  		printf("parent: %d\n", getpid());
  		//sleep(20);
  		//wait(NULL);
  		printf("parent process end\n\n");
  	} else {
  		perror("fork");
          return -1;
  	}
  	
  	return 0;
  }

例子中先让父进程退出，子进程在fork后sleep一段时间，用ps命令查看进程信息，可以看到5083的父进程是1

$ ps -eF |grep exec_test
chris     5083     1  0  3180   172   3 17:01 pts/1    00:00:00 ./exec_test
chris     5095  4391  0 24366   980   3 17:01 pts/2    00:00:00 grep --color=auto exec_test

• 代码例子-僵尸进程

  #include <unistd.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/wait.h>
  #include <cstdio>
  #include <cstdlib>
  #include <iostream>
  using namespace std;
  
  int main(int argc, char const *argv[])
  {
  	int childpid = 0;
  	int i;
  	
  	pid_t pid = fork();
  	if (pid == 0) {
  		//child process
  		//sleep(20);
  		printf("child:%d, parent: %d\n", getpid(), getppid());
  		
  		
  		// char * execv_str[] = {"echo", "executed by execv",NULL};
  		// if (execv("/bin/echo",execv_str) <0 ){
  		// 	perror("error on exec");
  		// 	exit(0);
  		// }
  		
  		printf("child process end\n\n");
  	} else if (pid > 0) {
  		//parent process
  		printf("parent: %d\n", getpid());
  		sleep(30);
  		//wait(NULL);
  		printf("parent process end\n\n");
  	} else {
  		perror("fork");
          return -1;
  	}
  	
  	return 0;
  }

父进程不调用wait等待子进程结束，使用ps命令查看进程状态，defunct表示僵尸进程。

$ ps -eF |grep exec_test
chris     5225  3922  0  3181  1116   2 17:17 pts/1    00:00:00 ./exec_test
chris     5226  5225  0     0     0   3 17:17 pts/1    00:00:00 [exec_test] <defunct>

也可以这这样查询：

ps -e -o stat,ppid,pid,cmd|egrep '^[Zz]'

如何避免僵尸进程

我们可以使用如下几种方法避免僵尸进程的产生:

1. 在fork后调用wait/waitpid函数取得子进程退出状态。
2. 调用fork两次（第一次调用产生一个子进程，第二次调用fork是在第一个子进程中调用，同时将父进程退出（第一个子进程退出），此时的第二个子进程的父进程id为init进程id。
3. 在程序中显示忽略SIGCHLD信号（子进程退出时会产生一个SIGCHLD信号，我们显示忽略此信号即可）。
4. 捕获SIGCHLD信号并在捕获程序中调用wait/waitpid函数。

参考文献

• http://gityuan.com/2017/08/05/linux-process-fork/