Linux进程基础与信号基础

计算机实际上可以做的事情实质上非常简单，比如计算两个数的和，再比如在内存中寻找到某个地址等等。这些最基础的计算机动作被称为指令(instruction)。所谓的程序(program)，就是这样一系列指令的所构成的集合。通过程序，我们可以让计算机完成复杂的操作。程序大多数时候被存储为可执行的文件。这样一个可执行文件就像是一个菜谱，计算机可以按照菜谱作出可口的饭菜。

那么，程序和进程(process)的区别又是什么呢?

进程是程序的一个具体实现。只有食谱没什么用，我们总要按照食谱的指点真正一步步实行，才能做出菜肴。进程是执行程序的过程，类似于按照食谱，真正去做菜的过程。同一个程序可以执行多次，每次都可以在内存中开辟独立的空间来装载，从而产生多个进程。不同的进程还可以拥有各自独立的IO接口。

操作系统的一个重要功能就是为进程提供方便，比如说为进程分配内存空间，管理进程的相关信息等等，就好像是为我们准备好了一个精美的厨房。

看一眼进程

首先，我们可以使用$ps命令来查询正在运行的进程，比如$ps -eo pid,comm,cmd，下图为执行结果:

(-e表示列出全部进程，-o pid,comm,cmd表示我们需要PID，COMMAND，CMD信息)





每一行代表了一个进程。每一行又分为三列。第一列PID(process IDentity)是一个整数，每一个进程都有一个唯一的PID来代表自己的身份，进程也可以根据PID来识别其他的进程。第二列COMMAND是这个进程的简称。第三列CMD是进程所对应的程序以及运行时所带的参数。

(第三列有一些由中括号[]括起来的。它们是kernel的一部分功能，被打扮成进程的样子以方便操作系统管理。我们不必考虑它们。)



我们看第一行，PID为1，名字为init。这个进程是执行/bin/init这一文件(程序)生成的。当Linux启动的时候，init是系统创建的第一个进程，这一进程会一直存在，直到我们关闭计算机。这一进程有特殊的重要性，我们会不断提到它。

如何创建一个进程

实际上，当计算机开机的时候，内核(kernel)只建立了一个init进程。Linux kernel并不提供直接建立新进程的系统调用。剩下的所有进程都是init进程通过fork机制建立的。新的进程要通过老的进程复制自身得到，这就是fork。fork是一个系统调用。进程存活于内存中。每个进程都在内存中分配有属于自己的一片空间
(address space)。当进程fork的时候，Linux在内存中开辟出一片新的内存空间给新的进程，并将老的进程空间中的内容复制到新的空间中，此后两个进程同时运行。

老进程成为新进程的父进程(parent process)，而相应的，新进程就是老的进程的子进程(child process)。一个进程除了有一个PID之外，还会有一个PPID(parent
PID)来存储的父进程PID。如果我们循着PPID不断向上追溯的话，总会发现其源头是init进程。所以说，所有的进程也构成一个以init为根的树状结构。

如下，我们查询当前shell下的进程：

root@vamei:~# ps -o pid,ppid,cmd
  PID  PPID CMD
16935  3101 sudo -i
16939 16935 -bash
23774 16939 ps -o pid,ppid,cmd

我们可以看到，第二个进程bash是第一个进程sudo的子进程，而第三个进程ps是第二个进程的子进程。



还可以用$pstree命令来显示整个进程树：

init─┬─NetworkManager─┬─dhclient
     │                └─2*[{NetworkManager}]
     ├─accounts-daemon───{accounts-daemon}
     ├─acpid
     ├─apache2─┬─apache2
     │         └─2*[apache2───26*[{apache2}]]
     ├─at-spi-bus-laun───2*[{at-spi-bus-laun}]
     ├─atd
     ├─avahi-daemon───avahi-daemon
     ├─bluetoothd
     ├─colord───2*[{colord}]
     ├─console-kit-dae───64*[{console-kit-dae}]
     ├─cron
     ├─cupsd───2*[dbus]
     ├─2*[dbus-daemon]
     ├─dbus-launch
     ├─dconf-service───2*[{dconf-service}]
     ├─dropbox───15*[{dropbox}]
     ├─firefox───27*[{firefox}]
     ├─gconfd-2
     ├─geoclue-master
     ├─6*[getty]
     ├─gnome-keyring-d───7*[{gnome-keyring-d}]
     ├─gnome-terminal─┬─bash
     │                ├─bash───pstree
     │                ├─gnome-pty-helpe
     │                ├─sh───R───{R}
     │                └─3*[{gnome-terminal}]

fork通常作为一个函数被调用。这个函数会有两次返回，将子进程的PID返回给父进程，0返回给子进程。实际上，子进程总可以查询自己的PPID来知道自己的父进程是谁，这样，一对父进程和子进程就可以随时查询对方。

通常在调用fork函数之后，程序会设计一个if选择结构。当PID等于0时，说明该进程为子进程，那么让它执行某些指令,比如说使用exec库函数(library
function)读取另一个程序文件，并在当前的进程空间执行 (这实际上是我们使用fork的一大目的: 为某一程序创建进程)；而当PID为一个正整数时，说明为父进程，则执行另外一些指令。由此，就可以在子进程建立之后，让它执行与父进程不同的功能。

子进程的终结(termination)

当子进程终结时，它会通知父进程，并清空自己所占据的内存，并在kernel里留下自己的退出信息(exit
code，如果顺利运行，为0；如果有错误或异常状况，为>0的整数)。在这个信息里，会解释该进程为什么退出。父进程在得知子进程终结时，有责任对该子进程使用wait系统调用。这个wait函数能从kernel中取出子进程的退出信息，并清空该信息在kernel中所占据的空间。但是，如果父进程早于子进程终结，子进程就会成为一个孤儿(orphand)进程。孤儿进程会被过继给init进程，init进程也就成了该进程的父进程。init进程负责该子进程终结时调用wait函数。

当然，一个糟糕的程序也完全可能造成子进程的退出信息滞留在kernel中的状况（父进程不对子进程调用wait函数），这样的情况下，子进程成为僵尸（zombie）进程。当大量僵尸进程积累时，内存空间会被挤占。

进程与线程(thread)

尽管在UNIX中，进程与线程是有联系但不同的两个东西，但在Linux中，线程只是一种特殊的进程。多个线程之间可以共享内存空间和IO接口。所以，进程是Linux程序的唯一的实现方式。

Linux进程基础一文中已经提到，Linux以进程为单位来执行程序。我们可以将计算机看作一个大楼，内核(kernel)是大楼的管理员，进程是大楼的房客。每个进程拥有一个独立的房间(属于进程的内存空间)，而每个房间都是不允许该进程之外的人进入。这样，每个进程都只专注于自己干的事情，而不考虑其他进程，同时也不让别的进程看到自己的房间内部。这对于每个进程来说是一种保护机制。(想像一下几百个进程总是要干涉对方，那会有多么混乱，或者几百个进程相互偷窥……)



然而，在一些情况，我们需要打破封闭的房间，以便和进程交流信息。比如说，内核发现有一个进程在砸墙(硬件错误)，需要让进程意识到这样继续下去会毁了整个大楼。再比如说，我们想让多个进程之间合作。这样，我们就需要一定的通信方式。信号(signal)就是一种向进程传递信息的方式。我们可以将信号想象成大楼的管理员往房间的信箱里塞小纸条。随后进程取出小纸条，会根据纸条上的内容来采取一定的行动，比如灯坏了，提醒进程使用手电。(当然，也可以完全无视这张纸条，然而在失火这样紧急的状况下，无视信号不是个好的选择)。相对于其他的进程间通信方式(interprocess
communication， 比如说pipe, shared memory)来说，信号所能传递的信息比较粗糙，只是一个整数。但正是由于传递的信息量少，信号也便于管理和使用。信号因此被经常地用于系统管理相关的任务，比如通知进程终结、中止或者恢复等等。





给我一个信号



信号是由内核(kernel)管理的。信号的产生方式多种多样，它可以是内核自身产生的，比如出现硬件错误(比如出现分母为0的除法运算，或者出现segmentation fault)，内核需要通知某一进程；也可以是其它进程产生的，发送给内核，再由内核传递给目标进程。内核中针对每一个进程都有一个表存储相关信息(房间的信箱)。当内核需要将信号传递给某个进程时，就在该进程相对应的表中的适当位置写入信号(塞入纸条)，这样，就生成(generate)了信号。当该进程执行系统调用时，在系统调用完成后退出内核时，都会顺便查看信箱里的信息。如果有信号，进程会执行对应该信号的操作(signal
action, 也叫做信号处理signal disposition)，此时叫做执行(deliver)信号。从信号的生成到信号的传递的时间，信号处于等待(pending)状态(纸条还没有被查看)。我们同样可以设计程序，让其生成的进程阻塞(block)某些信号，也就是让这些信号始终处于等待的状态，直到进程取消阻塞(unblock)或者无视信号。

常见信号

信号所传递的每一个整数都被赋予了特殊的意义，并有一个信号名对应该整数。常见的信号有SIGINT, SIGQUIT, SIGCONT, SIGTSTP, SIGALRM等。这些都是信号的名字。你可以通过

$man 7 signal

来查阅更多的信号。



上面几个信号中，

SIGINT 当键盘按下CTRL+C从shell中发出信号，信号被传递给shell中前台运行的进程，对应该信号的默认操作是中断 (INTERRUPT)
该进程。

SIGQUIT 当键盘按下CTRL+\从shell中发出信号，信号被传递给shell中前台运行的进程，对应该信号的默认操作是退出 (QUIT)
该进程。

SIGTSTP 当键盘按下CTRL+Z从shell中发出信号，信号被传递给shell中前台运行的进程，对应该信号的默认操作是暂停 (STOP)
该进程。

SIGCONT 用于通知暂停的进程继续。

SIGALRM 起到定时器的作用，通常是程序在一定的时间之后才生成该信号。

在shell中使用信号

下面我们实际应用一下信号。我们在shell中运行ping：

$ping localhost

此时我们可以通过CTRL+Z来将SIGTSTP传递给该进程。shell中显示：

[1]+  Stopped                 ping localhost

我们使用$ps来查询ping进程的PID (PID是ping进程的房间号), 在我的机器中为27397

我们可以在shell中通过$kill命令来向某个进程发出信号:

$kill -SIGCONT 27397

来传递SIGCONT信号给ping进程。

信号处理 (signal disposition)

在上面的例子中，所有的信号都采取了对应信号的默认操作。但这并不绝对。当进程决定执行信号的时候，有下面几种可能：

1) 无视(ignore)信号，信号被清除，进程本身不采取任何特殊的操作

2) 默认(default)操作。每个信号对应有一定的默认操作。比如上面SIGCONT用于继续进程。

3) 自定义操作。也叫做获取 (catch) 信号。执行进程中预设的对应于该信号的操作。

进程会采取哪种操作，要根据该进程的程序设计。特别是获取信号的情况，程序往往会设置一些比较长而复杂的操作(通常将这些操作放到一个函数中)。



信号常常被用于系统管理，所以它的内容相当庞杂。深入了解信号，需要一定的Linux环境编程知识。



Linux的进程相互之间有一定的关系。比如说，在Linux进程基础中，我们看到，每个进程都有父进程，而所有的进程以init进程为根，形成一个树状结构。我们在这里讲解进程组和会话，以便以更加丰富的方式了管理进程。

进程组 (process group)

每个进程都会属于一个进程组(process group)，每个进程组中可以包含多个进程。进程组会有一个进程组领导进程 (process group leader)，领导进程的PID (PID见Linux进程基础)成为进程组的ID
(process group ID, PGID)，以识别进程组。

$ps -o pid,pgid,ppid,comm | cat

PID  PGID  PPID COMMAND
17763 17763 17751 bash
18534 18534 17763 ps
18535 18534 17763 cat

PID为进程自身的ID，PGID为进程所在的进程组的ID， PPID为进程的父进程ID。从上面的结果，我们可以推测出如下关系：



图中箭头表示父进程通过fork和exec机制产生子进程。ps和cat都是bash的子进程。进程组的领导进程的PID成为进程组ID。领导进程可以先终结。此时进程组依然存在，并持有相同的PGID，直到进程组中最后一个进程终结。



我们将一些进程归为进程组的一个重要原因是我们可以将信号发送给一个进程组。进程组中的所有进程都会收到该信号。我们会在下一部分深入讨论这一点。

会话 (session)

更进一步，在shell支持工作控制(job control)的前提下，多个进程组还可以构成一个会话 (session)。bash(Bourne-Again shell)支持工作控制，而sh(Bourne shell)并不支持。

会话是由其中的进程建立的，该进程叫做会话的领导进程(session leader)。会话领导进程的PID成为识别会话的SID(session ID)。会话中的每个进程组称为一个工作(job)。会话可以有一个进程组成为会话的前台工作(foreground)，而其他的进程组是后台工作(background)。每个会话可以连接一个控制终端(control
terminal)。当控制终端有输入输出时，都传递给该会话的前台进程组。由终端产生的信号，比如CTRL+Z， CTRL+\，会传递到前台进程组。

会话的意义在于将多个工作囊括在一个终端，并取其中的一个工作作为前台，来直接接收该终端的输入输出以及终端信号。 其他工作在后台运行。



一个命令可以通过在末尾加上&方式让它在后台运行:

$ping localhost > log &

此时终端显示:

[1] 10141

括号中的1表示工作号，而10141为PGID

我们通过如下方式查询更加详细的信息:

$ps -o pid,pgid,ppid,sid,tty,comm

(tty表示控制终端）



信号可以通过kill

$kill -SIGTERM -10141

或者

$kill -SIGTERM %1

的方式来发送给工作组。上面的两个命令，一个是发送给PGID(通过在PGID前面加-来表示是一个PGID而不是PID)，一个是发送给工作1(%1)，两者等价。



一个工作可以通过$fg从后台工作变为前台工作:

$cat > log &

$fg %1

当我们运行第一个命令后，由于工作在后台，我们无法对命令进行输入，直到我们将工作带入前台，才能向cat命令输入。在输入完成后，按下CTRL+D来通知shell输入结束。



进程组(工作)的概念较为简单易懂。而会话主要是针对一个终端建立的。当我们打开多个终端窗口时，实际上就创建了多个终端会话。每个会话都会有自己的前台工作和后台工作。这样，我们就为进程增加了管理和运行的层次。在没有图形化界面的时代，会话允许用户通过shell进行多层次的进程发起和管理。比如说，我可以通过shell发起多个后台工作，而此时标准输入输出并不被占据，我依然可以继续其它的工作。如今，图形化界面可以帮助我们解决这一需求，但工作组和会话机制依然在Linux的许多地方应用。

我们在Linux信号基础中已经说明，信号可以看作一种粗糙的进程间通信(IPC,
interprocess communication)的方式，用以向进程封闭的内存空间传递信息。为了让进程间传递更多的信息量，我们需要其他的进程间通信方式。这些进程间通信方式可以分为两种:

管道(PIPE)机制。在Linux文本流中，我们提到可以使用管道将一个进程的输出和另一个进程的输入连接起来，从而利用文件操作API来管理进程间通信。在shell中，我们经常利用管道将多个进程连接在一起，从而让各个进程协作，实现复杂的功能。
传统IPC (interprocess communication)。我们主要是指消息队列(message
queue)，信号量(semaphore)，共享内存(shared memory)。这些IPC的特点是允许多进程之间共享资源，这与多线程共享heap和global data相类似。由于多进程任务具有并发性 (每个进程包含一个进程，多个进程的话就有多个线程)，所以在共享资源的时候也必须解决同步的问题
(参考Linux多线程与同步)。

管道与FIFO文件

一个原始的IPC方式是所有的进程通过一个文件交流。比如我在纸(文件)上写下我的名字和年纪。另一个人读这张纸，会知道我的名字和年纪。他也可以在同一张纸上写下他的信息，而当我读这张纸的话，同样也可以知道别人的信息。但是，由于硬盘读写比较慢，所以这个方式效率很低。那么，我们是否可以将这张纸放入内存中以提高读写速度呢？

在Linux文本流中，我们已经讲解了如何在shell中使用管道连接多个进程。同样，许多编程语言中，也有一些命令用以实现类似的机制，比如在Python子进程中使用Popen和PIPE，在C语言中也有popen库函数来实现管道
(shell中的管道就是根据此编写的)。管道是由内核管理的一个缓冲区(buffer)，相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。



从原理上，管道利用fork机制建立(参考Linux进程基础和Linux从程序到进程），从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process
1上(连接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个连接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接
(两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入连接，Process 2关闭输出到PIPE的连接)，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE。



由于基于fork机制，所以管道只能用于父进程和子进程之间，或者拥有相同祖先的两个子进程之间 (有亲缘关系的进程之间)。为了解决这一问题，Linux提供了FIFO方式连接进程。FIFO又叫做命名管道(named
PIPE)。

FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道，所以FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道。之所以叫FIFO，是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最早放入的数据被最先读出来(好像是传送带，一头放货，一头取货)，从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统(file
system, 参考Linux文件管理背景知识)来为管道命名。写模式的进程向FIFO文件中写入，而读模式的进程从FIFO文件中读出。当删除FIFO文件时，管道连接也随之消失。FIFO的好处在于我们可以通过文件的路径来识别管道，从而让没有亲缘关系的进程之间建立连接。

传统IPC

这几种传统IPC实际上有很悠久的历史，所以其实现方式也并不完善 (比如说我们需要某个进程负责删除建立的IPC)。一个共同的特征是它们并不使用文件操作的API。对于任何一种IPC来说，你都可以建立多个连接，并使用键值(key)作为识别的方式。我们可以在一个进程中中通过键值来使用的想要那一个连接
(比如多个消息队列，而我们选择使用其中的一个)。键值可以通过某种IPC方式在进程间传递(比如说我们上面说的PIPE，FIFO或者写入文件)，也可以在编程的时候内置于程序中。

在几个进程共享键值的情况下，这些传统IPC非常类似于多线程共享资源的方式(参看Linux多线程与同步):

semaphore与mutex类似，用于处理同步问题。我们说mutex像是一个只能容纳一个人的洗手间，那么semaphore就像是一个能容纳N个人的洗手间。其实从意义上来说，semaphore就是一个计数锁(我觉得将semaphore翻译成为信号量非常容易让人混淆semaphore与signal)，它允许被N个进程获得。当有更多的进程尝试获得semaphore的时候，就必须等待有前面的进程释放锁。当N等于1的时候，semaphore与mutex实现的功能就完全相同。许多编程语言也使用semaphore处理多线程同步的问题。一个semaphore会一直存在在内核中，直到某个进程删除它。
共享内存与多线程共享global data和heap类似。一个进程可以将自己内存空间中的一部分拿出来，允许其它进程读写。当使用共享内存的时候，我们要注意同步的问题。我们可以使用semaphore同步，也可以在共享内存中建立mutex或其它的线程同步变量来同步。由于共享内存允许多个进程直接对同一个内存区域直接操作，所以它是效率最高的IPC方式。

消息队列(message queue)与PIPE相类似。它也是建立一个队列，先放入队列的消息被最先取出。不同的是，消息队列允许多个进程放入消息，也允许多个进程取出消息。每个消息可以带有一个整数识别符(message_type)。你可以通过识别符对消息分类
(极端的情况是将每个消息设置一个不同的识别符)。某个进程从队列中取出消息的时候，可以按照先进先出的顺序取出，也可以只取出符合某个识别符的消息(有多个这样的消息时，同样按照先进先出的顺序取出)。消息队列与PIPE的另一个不同在于它并不使用文件API。最后，一个队列不会自动消失，它会一直存在于内核中，直到某个进程删除该队列。



多进程协作可以帮助我们充分利用多核和网络时代带来的优势。多进程可以有效解决计算瓶颈的问题。互联网通信实际上也是一个进程间通信的问题，只不过这多个进程分布于不同的电脑上。网络连接是通过socket实现的。由于socket内容庞大，所以我们不在这里深入。一个小小的注解是，socket也可以用于计算机内部进程间的通信。



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