进程信号Linux操作系统分析（2）- 进程的创建与可执行程序的加载

查了好多资料，发现还是不全，干脆自己整理吧，至少保证在我的做法正确的，以免误导读者，也是给自己做个记录吧！

学号：sa×××310 姓名：××涛

环境：Ubuntu13.04 gcc4.7.3

1.进程管理

Linux中的进程主要由kernel来管理。系统调用是应用程序与内核交互的一种方式。系统调用作为一种接口，通过系统调用，应用程序能够进入操纵系统内核，从而使用内核提供的各种资源，比如操纵硬件，开关中断，改变特权模式等等。

罕见的系统调用：exit,fork,read,write,open,close,waitpid,execve,lseek,getpid...

用户态和内核态

为了使操纵系统提供一个很好的进程抽象，限制一个程序可以执行的指令和可以拜访的地址空间。

处置器平日是使用某个控制寄存器中的一个模式位来提供这类功能，该寄存器描述了进程以后享有的特权。当设置了模式位时，进程就运行在内核态，可以执行指令会合的任何指令，并且可以拜访系统中任何存储器位置。

没有设置模式位时，进程就运行在用户态，不允许执行特权指令，也不允许直接引用地址空间中内核区内的代码和数据。任何这样的实验都市致使致命的掩护故障，反之，用户程序必须通过系统调用接口间接地拜访内核代码和数据。

关于fork的分析，拜见这篇博文。

waitpid

首先来了解一下僵尸进程，当一个进程由于某种原因终止时，内核并非当即把它从系统中清除。相反，进程被保存在一种已终止的状态中，直到它的夫进程回收。当父进程回收已终止的子进程时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后摈弃已终止的进程，从此时开始，该进程就不存在了。一个终止了但还未被回收的进程称为僵尸进程。

如果父进程没有回收子进程就终止了，子进程就成了僵尸进程，即时没有运行，但仍然消耗系统的存储器资源。

一个进程可以通过调用waitpid函数来等待它的子进程终止或是停止。

函数原型如下:

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)

如果成功，则为子进程的PID，如果WNOHANG，则为0，如果其他错误，则为-1.

看一个waitpid函数的例子。

#include"csapp.h"
#include<errno.h>
#define N 5
int main()
{
int status, i;
pid_t pid;

for(i=0; i<N; i++)
{
if((pid = Fork())==0)
exit(100+i);
}
while((pid = waitpid(-1, &status, 0))>0)
{
if(WIFEXITED(status))
printf("Child %d exited normally with status=%d!\n",pid,WIFEXITED(status));
else
printf("Child %d terminated abnormally!\n",pid);
}
if(errno != ECHILD)
unix_error("waitpid error\n");
return 1;
}

运行结果



waitpid的第一个参数是-1，则等待集合由父进程的所有子进程构成。大于0的话就是等待进程的pid。

waitpid的第三个参数是-1，则waitpid会挂起调用进程的执行，直到它的等待集合的一个子进程终止。如果等待集合中的一个进程终止了，那么waitpid就当即返回。

程序运行的结果就是waitpid函数不按照特定的次序回收僵死的子进程。

提一下wait函数，它就是waitpid函数的简单版本，原型如下：

pid_t wait(int *status)

等价于waitpid(-1, &status, 0)

execve

在Linux中要使用exec函数族来在 一个进程中启动另一个程序。系统调用execve（）对以后进程停止替换，替换者为一个指定的程序，其参数包括文件名（filename）、参数列表（argv）以及环境变量（envp）。exec函数族当然不止一个，但它们大致雷同，在 Linux中，它们分别是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp，下面我只以execve为例，其它函数究竟与execlp有何区分，请通过man exec命令来了解它们的具体情况。

一个进程一旦调用exec类函数，它本身就"死亡"了，系统把代码段替换成新的程序的代码，放弃原有的数据段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段与堆栈段，独一留下的，就是进程号，也就是说，对系统而言，还是同一个进程，不过已经是另一个程序了。（不过exec类函数中有的还允许继承环境变量之类的信息。）

原型如下：

int execve(const char *filename, const char *argv[], const char *envp[]);

成功调用不会返回，犯错返回-1.

execve函数加载并运行可执行目标文件filename,且带参数列表argv和环境变量列表envp.只有当涌现错误时，例如找不到filename，execve才会返回到调用程序。所以，与fork一次调用返回两次，execve调用一次并从不返回。

argv的在内存中组织方式如下图：



argv[0]是可执行目标文件的名字。

envp的在内存中组织方式如下图：



环境变量的列表是由一个和指针数组类似的数据结构表示，envp变量指向一个以null开头的指针数组，其中每个指针指向一个环境变量串，其中每个串都是形如“NAME=VALUE”的键值对。

可以用下面的命令来打印命令行参数和环境变量：

#include"csapp.h"

int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
int i;

printf("Command line arguments:\n");
for(i=0; argv[i]!=NULL; i++)
printf("argv[%2d]: %s\n", i, argv[i]);
printf("\n");
printf("Environment variables:\n");
for(i=0; envp[i]!=NULL; i++)
printf("envp[%2d]: %s\n", i, envp[i]);
exit(0);
}

2.简单的shell

结合下面的fork，wait和exec，下面来实现一个简单shell。

先搭建一个shell框架，步调是读取一个来自用户的命令行，求值并解析命令行。

#include<stdio.h>
#include"csapp.h"
#define MAXARGS 128
void eval(char *cmdline);
int parseline(char *buf,char **argv);
int builtin_command(char **argv);

int main()
{
char cmdline[MAXLINE];
while(1)
{
printf("> ");
Fgets(cmdline,MAXLINE,stdin);
if(feof(stdin)) exit(0);
eval(cmdline);
}
//printf("Hello\n");
return 1;
}

int builtin_command(char **argv)
{
if(!strcmp(argv[0],"quit")) exit(0);
if(!strcmp(argv[0],"&")) return 1;
if(!strcmp(argv[0],"-help"))
{
printf("-help    help infomation.\n");
printf("ls       list files and folders of current path.\n");
printf("pwd      show current path.\n");
return 1;
}
if(!strcmp(argv[0],"pwd"))
{
printf("%s\n",getcwd(NULL,0));
return 1;
}
return 0;
}

void eval(char *cmdline)
{
char *argv[MAXARGS];
char buf[MAXLINE];
int bg;
pid_t pid;

strcpy(buf, cmdline);
bg = parseline(buf, argv);
if(argv[0] ==NULL) return;
if(!builtin_command(argv))
{
if((pid = Fork()) == 0)
{
if(execve(argv[0],argv,environ) < 0)
{
printf("%s:Command not found.\n",argv[0]);
exit(0);
}
}
if(!bg)
{
int status;
if(waitpid(pid,&status,0)<0)
unix_error("waitfg:waitpid error");
}
else printf("%d %s",pid, cmdline);
}
return;
}

int parseline(char *buf, char **argv)
{
char *delim;
int argc;
int bg;
buf[strlen(buf)-1]=' ';
while(*buf && (*buf==' ')) buf++;

argc = 0;
while((delim = strchr(buf,' ')))
{
argv[argc++] = buf;
*delim = '\0';
buf = delim + 1;
while(*buf && (*buf==' ')) buf++;
}
argv[argc] = NULL;
if(argc == 0) return 1;

bg = (*argv[argc-1] == '&');
if(bg !=0) argv[--argc] = NULL;

return bg;
}

解释一下代码。

主要的几个函数：

eval：解释收到的命令。

parseline：解析以空格分隔的命令行参数，并构造argv传递给execve，执行响应的程序。

builtin_command: 检测参数是不是为shell的内建命令，如果是，就当即解释这个命令，并返回1，否则返回0.

下面用通过一些System Call，实现几个linux的常用命令。

ls

表现以后路径下的文件和文件夹信息。

c代码实现：

每日一道理

正所谓“学海无涯”。我们正像一群群鱼儿在茫茫的知识之海中跳跃、 嬉戏，在知识之海中出生、成长、生活。我们离不开这维持生活的“海水”，如果跳出这个“海洋”，到“陆地”上去生活，我们就会被无情的“太阳”晒死。

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<sys/types.h>
#include<dirent.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<pwd.h>
#include<grp.h>
void do_ls(char[]);
void dostat(char *);
void show_file_info(char *,struct stat *);
void mode_to_letters(int,char[]);
char * uid_to_name(uid_t);
char * gid_to_name(gid_t);

void main(int argc,char *argv[]){
if(argc==1)
do_ls(".");
else
printf("Error input\n");
}

void do_ls(char dirname[]){
DIR *dir_ptr;   //Path
struct dirent *direntp;     //Struct to save next file node
if((dir_ptr=opendir(dirname))==0)
fprintf(stderr,"ls:cannot open %s\n",dirname);
else{
while((direntp=readdir(dir_ptr))!=0)
dostat(direntp->d_name);
closedir(dir_ptr);
}
}

void dostat(char *filename){
struct stat info;
if(lstat(filename,&info)==-1)
perror("lstat");
else
show_file_info(filename,&info);
}

void show_file_info(char *filename,struct stat *info_p){
char modestr[11];
mode_to_letters(info_p->st_mode,modestr);
printf("%-12s",modestr);
printf("%-4d",(int)info_p->st_nlink);
printf("%-8s",uid_to_name(info_p->st_uid));
printf("%-8s",gid_to_name(info_p->st_gid));
printf("%-8ld",(long)info_p->st_size);
time_t timelong=info_p->st_mtime;
struct tm *htime=localtime(&timelong);
printf("%-4d-%02d-%02d %02d:%02d",htime->tm_year+1990,htime->tm_mon+1,htime->tm_mday,htime->tm_hour,htime->tm_min);
printf(" %s\n",filename);
}

//cope with permission
void mode_to_letters(int mode,char str[]){
strcpy(str,"----------");
if(S_ISDIR(mode))   str[0]='d';
if(S_ISCHR(mode))   str[0]='c';
if(S_ISBLK(mode))   str[0]='b';

if(mode & S_IRUSR)  str[1]='r';
if(mode & S_IWUSR)  str[2]='w';
if(mode & S_IXUSR)  str[3]='x';

if(mode & S_IRGRP)  str[4]='r';
if(mode & S_IWGRP)  str[5]='w';
if(mode & S_IXGRP)  str[6]='x';

if(mode & S_IROTH)  str[7]='r';
if(mode & S_IWOTH)  str[8]='w';
if(mode & S_IXOTH)  str[9]='x';
}

//transfor uid to username
char * uid_to_name(uid_t uid){
struct passwd *pw_str;
static char numstr[10];
if((pw_str=getpwuid(uid))==NULL){
sprintf(numstr,"%d",uid);
return numstr;
}
else
return pw_str->pw_name;
}

//transfor gid to username
char * gid_to_name(gid_t gid){
struct group *grp_ptr;
static char numstr[10];
if((grp_ptr=getgrgid(gid))==NULL){
sprintf(numstr,"%d",gid);
return numstr;
}
else
return grp_ptr->gr_name;
}

实现思路：

主要是do_ls函数，通过opendir命令打开文件夹，然后用readdir来读取文件夹中的文件或文件夹，输出信息。

通过刚才的shell调用编译好ls程序，效果如下：

3.信号

软中断信号（signal，又简称为信号）用来通知进程发生了异步事件。进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。注意，信号只是用来通知某进程发生了什么事件，并不给该进程传递任何数据。

收到信号的进程对各种信号有不同的处置方法。处置方法可以分为三类：第一种是类似中断的处置程序，对于需要处置的信号，进程可以指定处置函数，由该函数来处 理。第二种方法是，忽略某个信号，对该信号不做任何处置，就象未发生过一样。第三种方法是，对该信号的处置保留系统的默许值，这类缺省操纵，对大部分的信 号的缺省操纵是使得进程终止。进程通过系统调用signal来指定进程对某个信号的处置行为。 比如一个进程可以通过向另一个进程发送SIGKILL信号强制终止它。当一个子进程终止或者停止时，内核会发送一个SIGCHLD给父进程。

信号有很多种，每种信号类型都对应于某种系统事件。信号的处置流程如下：



定义信号的接受处置函数原型如下:

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
Returns: ptr to previous handler if OK, SIG_ERR on error (does not set errno)

看一个接受信号的例子:

#include "csapp.h"

/* SIGINT handler */
void handler(int sig)
{
return; /* Catch the signal and return */
}

unsigned int snooze(unsigned int secs) {
unsigned int rc = sleep(secs);
printf("Slept for %u of %u secs.\n", secs - rc, secs);
return rc;
}

int main(int argc, char **argv) {
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "usage: %s <secs>\n", argv[0]);
exit(0);
}

if (signal(SIGINT, handler) == SIG_ERR) /* Install SIGINT handler */
unix_error("signal error\n");
(void)snooze(atoi(argv[1]));
exit(0);
}

程序解析：

程序接受一个int参数，用于设置sleep的秒数，畸形情况下sleep响应的秒数之后就自动退出程序，由于注册了SIGINI，当按下键盘的Ctrl+C键的时候，跳转到handler函数，处置信号。

4.动态链接和静态链接

库有动态与静态两种，动态平日用.so为后缀，静态用.a为后缀。例如：libhello.so libhello.a

为了在同一系统中使用不同版本的库，可以在库文件名后加上版本号为后缀,例如： libhello.so.1.0,由于程序连接默许以.so为文件后缀名。所以为了使用这些库，平日使用建立符号连接的方式。

ln -s libhello.so.1.0 libhello.so.1

ln -s libhello.so.1 libhello.so

使用库

当 要使用静态的程序库时，连接器会找出程序所需的函数，然后将它们拷贝到执行文件，由于这类拷贝是完整的，所以一旦连接成功，静态程序库也就不再需要了。然 而，对动态库而言，就不是这样。动态库会在执行程序内留下一个标记‘指明当程序执行时，首先必须载入这个库。由于动态库节省空间，linux下停止连接的 缺省操纵是首先连接动态库，也就是说，如果同时存在静态和动态库，不特别指定的话，将与动态库相连接。

5.ELF文件格式与进程地址空间的联系

进程地址空间中典型的存储区域分配情况如下：



从图中可以看出：

从低地址到高地址分别为：代码段、（初始化）数据段、（未初始化）数据段（BSS）、堆、栈、命令行参数和环境变量

堆向高内存地址生长

栈向低内存地址生长

对于ELF文件，一般有下面几个段

.text section：主要是编译后的源码指令，是只读字段。

.data section ：初始化后的非const的全局变量、局部static变量。

.bss：未初始化后的非const全局变量、局部static变量。

.rodata：是寄存只读数据

关于ELF的文件的只是这里就不赘述了。

在ELF文件中，使用section和program两种结构描述文件的内容。平日来讲，ELF可重定位文件采取section，ELF可执行文件使用program，可重链接文件则两种都用。

装载文件，其实是一个很简单的过程，通过section或者program中的type属性判断是不是需要加载，然后通过offset属性找到文件中的数据，将它读取（复制）到响应的内存位置就可以了。 这个位置，可以通过program里头的vaddr属性确定；对于section来讲，则可以自己定义装载的位置。

动态连接的实质，就是对ELF文件停止重定位和符号解析。

重定位可以使得ELF文件可以在任意的执行（普通程序在链接时会给定一个牢固执行地址）；符号解析，使得ELF文件可以引用动态数据（链接时不存在的数据）。

从流程上来讲，我们只需要停止重定位。而符号解析，则是重定位流程的一个分支。

6.参考

程序员的自我涵养—链接、装载与库

Computer Systems: A Programmer's Perspective 3rd Edith

Linux内核编程

understanding the kernel 3rd Edith

文章结束给大家分享下程序员的一些笑话语录：

与女友分手两月有余，精神萎靡，面带菜色。家人介绍一女孩，昨日与其相亲。女孩果然漂亮，一向吝啬的我决定破例请她吃晚饭。

选了一个蛮贵的西餐厅，点了比较贵的菜。女孩眉开眼笑，与我谈得很投机。聊着聊着，她说：“我给你讲个笑话吧。”“ok”

　　“一只螳螂要给一只雌蝴蝶介绍对象，见面时发现对方是只雄蜘蛛。见面后螳螂问蝴蝶‘如何？’，‘他长的太难看了’，‘别看人家长的丑，人家还有网站呢’。”

　　“呵呵………”我笑。忽然她问：“你有网站吗？” 　

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进程和信号
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