进程是程序运行的实例，操作系统为进程分配独立的资源，使之拥有独立的空间，互不干扰。
空间布局
拿 c 程序来说，其空间布局包括如下几个部分：
数据段（初始化的数据段）：例如在函数外的声明，int a = 1
block started by symbol（未初始化的数据段）：例如在函数外的声明，int b[10]
栈：保存局部作用域的变量、函数调用需要保存的信息。例如调用一个函数，保存函数的返回地址、调用者的环境信息，给临时变量分配空间
堆：动态内存分配
正文段：CPU 执行的指令，通常是只读并共享的，例如同时打开多个文本编辑器进程，只需要读这一份正文段即可
命令行参数和环境变量
进程启动和停止
进程启动
用strace命令来追一个 c 的 hello world：
root@yielde:~/workspace/code-container/cpp# strace ./test1execve("./test1", ["./test1"], 0xfffffedb4960 /* 25 vars */) = 0
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man 一下 execve，概括来说，execve()初始化栈、堆、bss、初始化数据段、并且将命令行参数、环境变量放到内存中。可以使用https://elixir.bootlin.com/去追一下源码。
SYSCALL_DEFINE3(execve, const char __user *, filename, const char __user *const __user *, argv, const char __user *const __user *, envp){ return do_execve(getname(filename), argv, envp);}
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execve 通过 do_execve 来执行，do_execve 又通过do_execveat_common()来做具体的事情，
is_rlimit_overlimit()检查资源使用是否超过限制，struct linux_binprm *bprm;是一个结构体，用于记录命令参数、环境变量、要读入 ELF 程序的入口地址、rlimit 等信息。
bprm = alloc_bprm(fd, filename);为该结构分配内存，然后将 bprm 需要的内容 copy 进来。
构建好 bprm 后执行bprm_execve函数，函数注释sys_execve() executes a new program.该函数会做一些安全性的检查，然后do_open_execat(fd, filename, flags);打开我们的 ELF 程序（编译好的 test1），执行exec_binprm函数来运行新进程
exec_binprm()->search_binary_handler()，看下该函数的关键部分
static int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm){...//cycle the list of binary formats handler, until one recognizes the image list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) { if (!try_module_get(fmt->module)) continue; read_unlock(&binfmt_lock);
retval = fmt->load_binary(bprm);
read_lock(&binfmt_lock); put_binfmt(fmt); if (bprm->point_of_no_return || (retval != -ENOEXEC)) { read_unlock(&binfmt_lock); return retval; } }...} // binfmt_elf.c &formats参数static struct linux_binfmt elf_format = { .module = THIS_MODULE, .load_binary = load_elf_binary, // 匹配到的handler .load_shlib = load_elf_library,#ifdef CONFIG_COREDUMP .core_dump = elf_core_dump, .min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE,#endif};
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search_binary_handler()会从&formats参数中为识别到的二进制文件匹配一个 handler，即load_elf_binary()，该函数将 ELF 文件(test)的部分内容读入内存，然后为新的进程设置独立的信息
static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm){... retval = begin_new_exec(bprm); // 清理之前程序的相关信息，设置私有信号表，设置线程组等。。...setup_new_exec(bprm); // 为新程序设置内核相关的状态（例如进程名）.../* 我们的test使用的是动态链接的解释器，objdump -s test可以看到.interp /lib/ld-linux-aarch64.so.1，加载解释器，返回值elf_entry为解释器的入口地址，内核准备工作完成后交给用户空间，用户空间的入口即elf_entry*/if (interpreter) { elf_entry = load_elf_interp(interp_elf_ex, interpreter, load_bias, interp_elf_phdata, &arch_state);...}
// 放入新程序的命令行参数、环境列表等内容到新进程内存中,构建bss和初始化数据段等进程空间的内容...retval = create_elf_tables(bprm, elf_ex, interp_load_addr, e_entry, phdr_addr);
...// 内核控制交给用户空间，进入用户空间后会直接进入解释器的入口elf_entry，由解释器加载动态链接库// 最后开始运行用户程序
START_THREAD(elf_ex, regs, elf_entry, bprm->p);
}
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现在我们的程序已经交给动态解释器了，解释器将依赖的二进制库链接给 test，然后进入 test 的 entry。通过objdump -d test看一下是通过_start 函数开始执行 test
Disassembly of section .text:
0000000000000600 <_start>:... 62c: 97ffffe5 bl 5c0 <__libc_start_main@plt> 630: 97fffff0 bl 5f0 <abort@plt>
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我们继续寻找用户空间程序的入口点，可以通过 gdb 调试来看 Entry point 为 0xaaaaaaaa0600，在此处打断点
root@yielde:~/workspace/code-container/cpp# gdb test(gdb) i fileSymbols from "/root/workspace/code-container/cpp/test".Native process: Using the running image of child process 336143. While running this, GDB does not access memory from...Local exec file: `/root/workspace/code-container/cpp/test', file type elf64-littleaarch64. Entry point: 0xaaaaaaaa0600
(gdb) b *0xaaaaaaaa0600(gdb) rThe program being debugged has been started already.Start it from the beginning? (y or n) yStarting program: /root/workspace/code-container/cpp/test [Thread debugging using libthread_db enabled]Using host libthread_db library "/lib/aarch64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
Breakpoint 2, 0x0000aaaaaaaa0600 in _start ()
(gdb) bt#0 0x0000aaaaaaaa05c0 in __libc_start_main@plt ()#1 0x0000aaaaaaaa0630 in _start ()
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不出所料，入口点并不是 main，而是_start()将 main 运行需要的 agc，argv 传递给__libc_start_main()
__libc_start_main()初始化线程子系统，注册rtld_fini和fini来做程序退出后的清理工作，将。然后运行main()，最后在 main return 后调用exit(return值)来处理退出
进程退出
如果进程正常退出，调用 glibc 的exit()，如果异常崩溃或 kill -9 杀死，那么不经过用户程序，直接由内核的do_group_exit()做处理
// main函数return 5;
// 继续strace部分内容exit_group(5) = ?+++ exited with 5 +++
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exit()->__run_exit_handlers()：会执行我们使用atexit(）注册的函数（顺序为先注册的后执行）->_exit(int status) -> INLINE_SYSCALL (exit_group, 1, status);最终就是我们通过 strace 看到的系统调用exit_group(status)。
SYSCALL_DEFINE1(exit_group, int, error_code){ do_group_exit((error_code & 0xff) << 8); /* NOTREACHED */ return 0;}
// do_group_exit做真正的退出工作void __noreturndo_group_exit(int exit_code){ ... do_exit(exit_code);}
// do_exit会释放一系列进程使用的资源https://elixir.bootlin.com/linux/latest/C/ident/switch_countvoid __noreturn do_exit(long code){... exit_mm();
if (group_dead) acct_process(); trace_sched_process_exit(tsk);
exit_sem(tsk); exit_shm(tsk); exit_files(tsk); exit_fs(tsk); if (group_dead) disassociate_ctty(1); exit_task_namespaces(tsk); exit_task_work(tsk); exit_thread(tsk);... cgroup_exit(tsk);... // 给父进程发出SIGCHLD信号 exit_notify(tsk, group_dead);... do_task_dead(); }
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do_task_dead()调用set_special_state(TASK_DEAD);将进程标记为 TASK_DEAD 状态，并调用__schedule(SM_NONE);发起调度让出 CPU，进程完全退出。
常用系统 API
fork
fork 可以创建新的进程，我们追踪 test 启动的时候就是通过 shell fork 出的子进程。fork 返回两次，我们会用父子进程执行不同的代码分支。
pid_t fork(void);
// 成功：向子进程返回0，向父进程返回子进程的pid。// 失败：返回-1，设置errno// errno：// EAGAIN 超出用户或系统进程数上线// ENOMEM 无法为该进程分配足够的内存空间// ENOSYS 不支持fork调用
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demo
#include <stdio.h>#include <unistd.h>int main() { int ret = fork(); if (ret == 0) { printf("i'm parent\n"); } else if (ret > 0) { printf("i'm child\n"); } else { printf("error handle\n"); } return 0;}
// -------输出---------root@yielde:~/workspace/code-container/cpp# ./test i'm childi'm parent
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fork 之后
内存的拷贝（copy-on-write）
我们追踪 test 时，执行 execve 之后，会释放掉原有的内存结构，并为新进程准备新的内存空间用来映射 ELF 的信息。fork 之后如果拷贝原有进程的堆、栈、数据段，那么紧接着大部分使用场景就是释放这些内容，这使得 fork 性能不佳，linux 使用 copy-on-write 技术解决该问题：
将子进程的页表项指向与父进程相同的物理内存页，然后复制父进程的页表项，这样父子进程共用一份物理内存，并且将共用的页表标记为只读。
如果父子进程中任何一方需要修改页表项，会触发缺页异常，内核会为该页分配物理内存，并复制该内存页，此时父子进程各自拥有了独立的物理页，将两个页表设置为可写。
文件描述符
父子进程的文件描述符被子进程复制，并且父子进程共享文件表项，自然会共享文件偏移量，所以父子进程对文件的读写会互相影响。通过 open 调用时设置FD_CLOSEXEC标志，子进程在执行 exec 家族函数的时候会先关闭该文件描述符
其他复制
不复制
未处理的信号集会被清空
父进程设置的文件锁
未处理的 alarm 会被清除
wait、waitpid、waittid
wait 系列函数用于等待子进程的状态改变（包括子进程终止、子进程收到信号停止、已经停止的子进程被信号唤醒）。如果子进程终止，子进程的 pid、内核栈等并不会被释放，但是子进程运行的内存空间已经被释放，此时子进程无法运行，变为僵尸状态，父进程调用 wait 系函数来获取子进程的退出状态，内核也可以释放子进程相关信息，子进程完全消失。
#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *wstatus);// 成功返回退出子进程的ID// 失败返回-1设置errno：ECHLD表示没有子进程需要等待。EINTR：被信号中断
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wait
demo
#include <errno.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <wait.h>pid_t r_wait(int *stat) { int ret; while (((ret = wait(stat)) == -1) && (errno == EINTR)) ; return ret;}int main() { int stat; pid_t pid = fork(); if (pid > 0) { pid_t child_pid; int ret = r_wait(&stat); printf("child pid %d exit with code %d\n", ret, (stat >> 8) & 0xff); // 获取子进程的返回值 } else if (pid == 0) { pid_t child_pid = getpid(); sleep(3); printf("i'm child, pid: %d\n", child_pid); exit(10); } else { printf("fork failure\n"); } return 0;}
// ------------------------root@yielde:~/workspace/code-container/cpp# ./test child: i'm child, pid: 398918parent: child pid 398918 exit with code 10parent: no child need to wait
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使用 wait 存在以下几个问题：
无法 wait 特定的子进程，只能 wait 所有子进程，然后通过返回值来判断特定的子进程
如果没有子进程退出，则 wait 阻塞
wait 函数只能等待终止的子进程，如果子进程是停止状态或者从停止状态恢复运行，wait 是无法探知的。
waitpid
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);// pid可以指定等待哪一个子进程的退出，// pid=0等待进程组内任意子进程状态改变// pid=-1与wait()等价// pid<-1，等待进程组为[pid]的所有子进程
// options是一个位掩码，有如下标志// 0：等待终止的子进程// WUNTRACE：可以等待因信号停止的子进程// WCONTINUED：可以等待收到信号恢复运行的子进程// WNOHANG：立即返回0，如果没有与pid匹配的进程，则返回-1并设置errno为ECHILD
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直接返回的 status 值是不可用的（wait 也一样），可以通过相关的宏来支持作业控制、子进程正常终止、被信号终止，获取退出状态也是通过宏。man wait查看
waitpid 有个问题就是子进程终止和子进程停止无法独立监控，想要只关心停止而忽略终止是不行的。
waittid
解决了上面两种 wait 函数的问题
int waitid(idtype_t idtype, id_t id, siginfo_t *infop, int options);// idtype：P_PID探测id进程，P_PGID探测进程组为id的进程，P_ALL等待任意子进程忽略id
// infop：保存子进程退出的相关信息
// options：WEXITED等待子进程终止// WSTOPPED等待子进程停止// WCONTINUED等待停止的子进程被信号唤醒运行// WNOHANG与waitpid相同// WNOWAIT，wait和waitpid会将子进程的僵尸状态改变为TASK_DEAD，该标志位只获取信息而不改变子进程状态
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demo
设置 WNOWAIT 观察子进程的状态
#include <errno.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <wait.h>int main() { int stat; pid_t pid = fork(); if (pid > 0) { siginfo_t info; int ret; memset(&info, '\0', sizeof(info)); ret = waitid(P_PGID, getpid(), &info, WEXITED | WNOWAIT); if ((ret == 0) && (info.si_pid == pid)) { printf("child %d exit, exit event: %d, exit status: %d\n", pid, info.si_code, info.si_status); } } else if (pid == 0) { sleep(3); printf("i'm child, pid: %d\n", getpid()); return 10; } else { printf("fork failure\n"); } sleep(15); return 0;}
// ---------------root@yielde:~/workspace/code-container/cpp/blog_demo# ./test i'm child, pid: 401845child 401845 exit, exit event: 1, exit status: 10sleep ....// 父进程获取到子进程退出信息后，子进程仍然为僵尸状态root 401844 0.0 0.0 2184 776 pts/3 S+ 23:01 0:00 ./testroot 401845 0.0 0.0 0 0 pts/3 Z+ 23:01 0:00 [test] <defunct>
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system
system 相当于我们 fork 出子进程->子进程执行 exec 执行命令->父进程 waitpid 等待子进程返回，只不过使用 system 时，system 会 fork 出一个 shell，然后 shell 创建子进程来执行命令，因此调用 system 的返回值如下：
如果 system 内部 fork 失败或 waitpid 返回了除 EINTR 之外的错误，system 返回-1 设置 errno。如果 SIGCHILD 被设置为 SIG_IGN，那么 system 返回-1 并设置 errno 为 ECHLD，无法判断命令是否执行成功
如果 exec 失败，返回 127（shell 执行失败的指令，可以在 shell 写一个不存在的命令，然后 echo $?看下）
如果 system 执行成功，会返回 shell 的终止状态，即最后一条命令的退出状态
system(NULL)探测 shell 是否可用，如果返回 0 表示 shell 不可用，返回 1 表示 shell 可用
demo
#include <errno.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>
int main() { // int ret = system("lss -l"); //执行错误的命令 // int ret = system("ls -l"); // 正常执行命令 int ret = system("sleep 50"); // 执行命令进程被信号杀死 if (ret == -1) { printf("system return -1, errno is: %s", strerror(errno)); } else if (WIFEXITED(ret) && WEXITSTATUS(ret) == 127) { // WIFEXITED(wstatus) returns true if the child terminated normally(在 man wait中) // WEXITSTATUS(wstatus) returns the exit status of the child printf("shell can't exec the command\n"); } else { if(WIFEXITED(ret)){ printf("normal termination, exit code = %d\n", WEXITSTATUS(ret)); }else if(WIFSIGNALED(ret)){ // WIFSIGNALED(wstatus) returns true if the child process was terminated by a signal. printf("abnormal termination, signal number = %d\n", WTERMSIG(ret)); } }}
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分别编译测试三种情况：
让 system 执行一个错误的命令，运行如下
root@yielde:~/workspace/code-container/cpp/blog_demo# ./test sh: 1: lss: not foundshell can't exec the command
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让 system 正常执行命令
root@yielde:~/workspace/code-container/cpp/blog_demo# ./test total 40-rw-r--r-- 1 root root 4107 Jan 19 21:16 epoll_oneshot.cc-rw-r--r-- 1 root root 2642 Jan 18 19:44 oob_recv_select.cc-rw-r--r-- 1 root root 1659 Jan 18 22:11 poll.cc-rw-r--r-- 1 root root 739 Jan 25 23:34 system_test.cc-rwxr-xr-x 1 root root 9064 Jan 25 23:34 test-rw-r--r-- 1 root root 795 Jan 25 22:24 wait_test.cc-rw-r--r-- 1 root root 651 Jan 25 23:01 waittid_test.ccnormal termination, exit code = 0
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给 system 执行的命令发送 kill -9
//killroot@yielde:~/workspace/code-container/cpp# ps aux|grep sleeproot 403568 0.0 0.0 2304 836 pts/3 S+ 23:42 0:00 sh -c sleep 50root 403569 0.0 0.0 5180 788 pts/3 S+ 23:42 0:00 sleep 50root 403613 0.0 0.0 5888 2008 pts/1 S+ 23:42 0:00 grep --color=auto sleeproot@yielde:~/workspace/code-container/cpp# root@yielde:~/workspace/code-container/cpp# kill -9 403568// 结果root@yielde:~/workspace/code-container/cpp/blog_demo# ./test abnormal termination, signal number = 9
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文章转载自：佟晖
原文链接：https://www.cnblogs.com/tongh/p/17988449
体验地址：http://www.jnpfsoft.com/?from=001
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