28 进程的创建和执行过程

发表于： 更新于： 分类于：
字数： 2359 阅读：≈ 5分钟

记账

记账功能打开后，系统会在每个进程结束后记录一条账单信息。标准工具 sa(8) 对账单文件进行汇总，lastcomm(1) 则就先前执行的命令列出相关信息。

Tip

Linux 系统的进程记账功能属于可选内核组件，可以通过 CONFIG_BSD_PROCESS_ACCT 选项进行配置。 在 Debian 上，需要使用 apt install acct 来安装（否则 man 8 sa 和 which lastcomm 都找不到）。

特权进程可以使用 acct 系统调用来打开或关闭记账功能，应用程序则很少使用到这种调用。

系统调用 clone()

clone() 的地位和 fork()、vfork() 一样，它们在内核中都是用 do_fork() 来实现的，但是它能支持比后两个函数更加精细的控制，因此也被用作线程实现的方式。我们一般使用的 clone() 是 glibc 的包装函数，它和内核提供的 SYS_clone 系统调用有一点差异。

/* Prototype for the glibc wrapper function */

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>

int clone(int (*fn)(void *_Nullable), void *stack, int flags,
         void *_Nullable arg, ...  /* pid_t *_Nullable parent_tid,
                                      void *_Nullable tls,
                                      pid_t *_Nullable child_tid */ );

clone() 的 stack 参数用来指定子进程要使用的栈空间。其实现假设了栈是向下生长的。在 Linux 中，仅有很少见的硬件的栈是向上生长。

clone() 的 flags 参数有两个用途：

  1. flags 的低字节存放了子进程的终止信号，表示子进程终止之后要向父进程发送什么样的信号，在 fork() 和 vfork() 中无法指定子进程终止信号，相当于这个信号只能是 SIGCHLD。
  2. 其他字节可以用来存放控制进程创建行为的标志。有不少标志都是内核内部使用的，不是开放给用户程序用的。还有些标志是为了支持线程提供的，有些则是为了支持容器（轻量级虚拟化的一种形式）提供的。

NTPL 线程实现占用了 2 个实时信号，可能有个信号就被指定给 clone() 的进程终止信号占用了？

clone() 用于支持线程的标志

通过标志，我们可以指定创建的新进程要和当前进程共享哪些内容，比如：LinuxThreads 线程实现使用了 clone() 的前 4 个参数来创建线程，flags 为 CLONE_VM | CLONE_FILES | CLONE_FS | CLONE_SIGHAND；NPTL 线程实现使用了全部 7 个参数来创建线程，flags 为 CLONE_VM | CLONE_FILES | CLONE_FS | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | CLONE_SYSVSEM。这些 flags 的含义分别是（以下进程可能表示一个内核调度实体，也可能表示通常意义上的进程，要注意区分）：

  1. CLONE_VM：父子进程共享虚拟内存（这对线程来说显然是必须的）。
  2. CLONE_FILES：共享文件描述符表。这和通常意义上父子进程共享文件描述符（从而共享打开文件的属性、偏移）不同，因为一个线程关闭文件，对另外一个线程来说，文件也就关闭。
  3. CLONE_FS：共享文件系统相关属性。比如当前工作目录、根目录、权限掩码（umask）等。
  4. CLONE_SIGHAND：共享对信号的处理。
  5. CLONE_THREAD：将子进程放在父进程的线程组中。线程组是 Linux 为了实现 POSIX 线程而引入的概念，因为 POSIX 规定同一进程中的所有线程共享一个进程 ID，这个时候线程组 ID 也就成了进程 ID，一个线程组也就是共享线程组标识（TGID）的一组 KSE（内核调度实体）。曾经 Linux 没有 CLONE_THREAD 标志，因此 LinuxThreads 将线程实现为进程号不同、但是共享了许多属性的进程。
  6. CLONE_SETTLS：用来支持线程本地存储。
  7. CLONE_PARENT_SETTID：在 clone() 完成后（还没有返回时就早早地）将子进程的进程号写在父进程地址空间给定的地址（ptid）上。这是为了支持错误处理，因为 clone() 还没有执行完成时可能就会出错，然后触发信号处理器。
  8. CLONE_CHILD_CLEARTID：在子进程退出的时候，将 ctid 指向的位置清零。ctid 指向的位置视同 futex，通过系统调用 futex() 监控 ctid 位置的变化，就可以获得线程终止的通知。
  9. CLONE_SYSVSEM：父子进程共享 System V 信号量撤销 / 还原（英文是 undo）值列表。

除了用 clone() 共享大量属性之外，我们在创建子线程之后还可以用 int unshare(int flags) 来解除属性共享。

Tip

线程组 ID（TGID）就是进程 ID，进程 ID 和线程 ID 都是用 pid_t 表示的。除了线程组主线程的 ID 和线程组 ID 相同之外，线程 ID 在系统范围内唯一。而 pthreads 线程模型在用户空间维护了自己的数据结构，其线程 ID 用 pthread_t 表示。

书中的说法是：

Thread IDs are unique system-wide, and the kernel guarantees that no thread ID will be the same as any process ID on the system, except when a thread is the thread group leader for a process.

其他有意思的标志

  1. CLONE_PARENT：以当前进程的父进程为父进程（即和当前进程为兄弟关系），而不是以当前进程为父进程。Linux 曾用这个标志来支持线程（因为从一个线程创建出的其他线程和当前线程是兄弟关系），直到 CLONE_THREAD 标志的出现使得 Linux 可以使用线程组的概念来创建和管理线程。
  2. CLONE_PID（已经废止）：让子进程的 PID 和父进程相同。Linux 2.6 用 CLONE_IDLETASK 来代替它，将新进程的 PID 设置为 0 来为 CPU 的每个核创建隐身的空闲进程（不会被用户看到）。由于 CLONE_IDLETASK 仅供内部使用，所以即便用户指定了它，内核也会忽略这个标志。
  3. CLONE_VFORK：和 vfork() 同语义，父进程将一直挂起直到子进程执行了 _exit() 或者 exec()。

不同系统调用创建进程的速度

显而易见，不是很需要记笔记。

exec() 和 fork() 对进程属性的影响

中文书的 505 页。记不住，还是用到了再查吧。

文件描述符的处理方式比较特殊，因为进程间的很多交互都要通过文件描述符进行。fork() 在通常情况下文件描述符会复制一份（因此指向内核打开文件表的相同表项，这使得文件打开属性，如文件偏移量是共享的）、exec() 后文件描述符也不会被清理（除非指定了 close-on-exit）。还有少数通过文件描述符注册的通知机制在 exec() 后仍然保留，但在 fork() 后就失效，比如 dnotify API（目录变更通知）。

和内存相关的一般是 exec() 不复制，而 fork() 复制一份（有可能复制的是类似描述符这样的东西，实际效果是引用）。比如 System V 共享内存段、POSIX 共享内存、POSIX 消息队列、POSIX 命名信号量、备选信号栈（sigaltstack）和信号处理器函数等。

和信号相关的有的是 exec() 保留（比如 setitimer()、alarm() 设置的定时器），有的是 fork() 保留，好像看不出来什么规律。挂起信号合集是 exec() 保留、fork() 不保留，信号掩码是两者都保留，exec() 的信号处置方式见 信号处理器和 exec()，而 fork() 保留。