(15)Linux 进程创建与终止函数forkslab 分派器

前言:本章我们主要讲解进程的创建与终止,最后简单介绍一下 slab 分派器。

一、进程创建(Process creation)

1、分叉函数 fork 

在 \textrm{Linux} 中, fork 函数是非常重要的函数,它从已存在进程中创建一个新的进程。 

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

新进程为子进程 (child process) ,而原进程为父进程 (father process) 

返回值:子进程中返回 0,父进程返回子进程 id,出错返回 -1

为什么两个进程的pid不同呢,这与fork函数的特性有关。fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次,却能够返回两次,它可能有三种不同的返回值:
    1)在父进程中,fork返回新创建子进程的进程ID;
    2)在子进程中,fork返回0;
    3)如果出现错误,fork返回一个负值; 

 在fork函数执行完毕后,如果创建新进程成功,则出现两个进程,一个是子进程,一个是父进程。在子进程中,fork函数返回0,在父进程中,fork返回新创建子进程的进程ID。我们可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。

    引用一位网友的话来解释fpid的值为什么在父子进程中不同。“其实就相当于链表,进程形成了链表,父进程的fpid(p 意味point)指向子进程的进程id, 因为子进程没有子进程,所以其fpid为0.
    fork出错可能有两种原因:
    1)当前的进程数已经达到了系统规定的上限,这时errno的值被设置为EAGAIN。
    2)系统内存不足,这时errno的值被设置为ENOMEM。

 进程调用 fork,当控制转移到内核中的 fork 代码后,操作系统会做什么? 

①  将给子进程分配新的内存块和内核数据结构

  •     创建 task_struct 和进程地址空间 mm_struct

②  将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程

  •     以父进程为模板,设置子进程的相关数据结构和父进程相关字段保持一致。
  •     task_struct、地址空间、区域划分很多东西都是一样的。
  •     但不是无脑拷贝!比如累计调度的时间片是不一样的。

③  添加子进程到系统进程列表当中

  •     取决于你进程是要做什么,创建后如果状态没问题就会直接链入运行队列中。

④  fork 返回,开始调度器调度

  •     当准备返回时,上面三个工作都有了,父进程继续执行开始 return,子进程也可能执行 fork 的返回值,然后就会得到两次返回。

 第一次返回的本质:通过寄存器向接收变量进行写入,写入的本质就是进行修改,所以就会发生写时拷贝,进而让同一个变量出现不同的值。至此就解释了 fork 的返回值为什么会有两个的问题。

当一个进程调用 fork 之后,就有两个二进制代码相同的进程,并且它们都运行到相同的地方。

但每个进程都可以开始它们自己的旅程,我们来看下面的代码:

代码演示:

 

结果:

我们可以看到,有三行输出,两行After,一行Before,为什么只有一个Before呢?30411的Before呢?

  • fork 之前:父进程独立执行(因为只有父进程)。
  • fork 之后:父子分道扬镳,父子两个执行流分别执行(因为 fork 之后有两个进程了)。

 fork 之后,谁先执行谁后执行完全由调度器决定!

那么 fork 之后,是否只有 fork 之后的代码是被父子进程共享的?

实际上,fork 之后代码共享这样的说法并不准确。一般情况 fork 之后,父子共享所有的代码

子进程执行的后续代码 != 共享的所有代码,只不过子进程只能从这里开始执行!

 2、写时拷贝(copy-on-write) 

 我们知道,进程具有独立性,代码和数据必须是独立的,代码只能读取 → 写时拷贝

通常,父子代码共享,父子在不让写入时数据也是共享的。当任意一方试图写入,就会按照写时拷贝的方式各自拷贝一份副本出来。写时拷贝本身由操作系统的内存管理模块完成的。

操作系统为什么要写时拷贝?创建子进程的时候就把数据分开不行吗?

  •     有浪费空间之嫌:父进程的数据,子进程不一定全用;即便使用,也不一定全部写入。
  •     最理想的情况,只有会被父子修改的数据,进行分离拷贝。不需要修改的数据,共享即可。但是从技术角度实现复杂。
  •     如果 fork 的时候,就无脑拷贝数据给子进程,会增加 fork 的成本(内存和时间)

最终采用写时拷贝:只会拷贝父子修改的、变相的,就是拷贝数据的最小成本。拷贝的成本依旧存在。

写时拷贝实际上以一种 延迟拷贝策略,延迟拷贝最大的价值:只有真正使用的时候才给你拷。

其最大的意义在于,你想要,但是不立马使用的空间,先不给你,那么也就意味着可以先给别人。

反正拷贝的成本总是要有,早给你晚给你都是一样。万一我现在给你你又不用,那其实不很浪费

所以我选择暂时先不给你,等你什么时候要用什么时候再给。这就变相的提高了内存的使用情况。

3、fork 的使用

最简单的方式就是 fork 之后利用 if-else 进行分流, 让父子执行不同的代码块。刚才通过实验我们也知道了,实际上 if-else 代码也是父进程,只不过子进程执行了父进程的代码罢了。所以,我们在 fork 之后让父子执行不同的代码段,这就是典型地 fork 创建出来让子进程执行类似的事。

一个父进程希望复制自己,使父子进程同时执行不同的代码段。我们做网络写服务器的时候会经常采用这样的编码方式,例如父进程等待客户端请求,生成子进程来处理请求。

还有一种用法就是 fork 之后创建子进程想做和父亲完全不一样的事情,比如子进程从 fork 返回后,调用 exec 函数。(我们本章下面会讲解的 "程序地址替换" 就和这个有关)

4、fork 调用失败的情况 

fork 肯定不是永远都成功的,fork 也是有可能调用失败的。

系统中有太多进程,导致内存资源不足,fork 不出。

代码演示:我们可以手动演示一下 fork 失败的场景

 

运行结果如下:

 

二、进程终止(Process Termination) 

 1、终止的认识

 C/C++ 的时侯,main 函数就是所谓的 入口函数

但是不知道大家是否关注过这个 return

下面我们思考两个问题:

这个 return 0 究竟给谁 return

 为何是 0 ?其他值可以吗?

#问:进程终止的常见方式?

  • 运行成功
    • 代码跑完,结果正确
    • 代码跑完,结果不正确
  • 运行失败
    • 代码没有跑完,程序崩溃了
退出码

#问:用代码,如何终结一个进程?什么是一个正确的终结?

  • 0:成功,正确。
  • 非0:标识的是运行的结果不正确。

2、进程退出码 

 写一个main函数return 0,并运行,可以发现:

命令:echo $?


最近(上一次)进程的退出码

 

因为对于运行结果我们关心的永远是:它错了究竟错在哪里、而不是它对了究竟对在哪里。所以用无数的非0值标识不同错误的原因。给我们的程序在运行结束之后,对于结果不正确时,方便定位错误的原因细节。 

 如果是再运行一下:

就变成0了

$? 表示在 \textrm{bash} 中,最近一次执行完毕时,对应进程的退出码。

我们随便显示一个不管他存不存在的文件

再反观我们之前学 C 时,代码都是无脑 return 0 的……

而这些指令代码的 return 都是设计好了的!

实际上,即使不会也没有关系,你无脑 return 0return 1,2,3,4...  都没有问题。

3、错误码 

C 语言当中有个的 string.h 中有一个 strerror 接口,是最经典的、将错误码表述打印出来的接口,输出错误原因定义归纳整理如下:

#define EPERM 1 /* Operation not permitted */
#define ENOENT 2 /* No such file or directory */
#define ESRCH 3 /* No such process */
#define EINTR 4 /* Interrupted system call */
#define EIO 5 /* I/O error */
#define ENXIO 6 /* No such device or address */
#define E2BIG 7 /* Argument list too long */
#define ENOEXEC 8 /* Exec format error */
#define EBADF 9 /* Bad file number */
#define ECHILD 10 /* No child processes */
#define EAGAIN 11 /* Try again */
#define ENOMEM 12 /* Out of memory */
#define EACCES 13 /* Permission denied */
#define EFAULT 14 /* Bad address */
#define ENOTBLK 15 /* Block device required */
#define EBUSY 16 /* Device or resource busy */
#define EEXIST 17 /* File exists */
#define EXDEV 18 /* Cross-device link */
#define ENODEV 19 /* No such device */
#define ENOTDIR 20 /* Not a directory */
#define EISDIR 21 /* Is a directory */
#define EINVAL 22 /* Invalid argument */
#define ENFILE 23 /* File table overflow */
#define EMFILE 24 /* Too many open files */
#define ENOTTY 25 /* Not a typewriter */
#define ETXTBSY 26 /* Text file busy */
#define EFBIG 27 /* File too large */
#define ENOSPC 28 /* No space left on device */
#define ESPIPE 29 /* Illegal seek */
#define EROFS 30 /* Read-only file system */
#define EMLINK 31 /* Too many links */
#define EPIPE 32 /* Broken pipe */
#define EDOM 33 /* Math argument out of domain of func */
#define ERANGE 34 /* Math result not representable */
#define EDEADLK 35 /* Resource deadlock would occur */
#define ENAMETOOLONG 36 /* File name too long */
#define ENOLCK 37 /* No record locks available */
#define ENOSYS 38 /* Function not implemented */
#define ENOTEMPTY 39 /* Directory not empty */
#define ELOOP 40 /* Too many symbolic links encountered */
#define EWOULDBLOCK EAGAIN /* Operation would block */
#define ENOMSG 42 /* No message of desired type */
#define EIDRM 43 /* Identifier removed */
#define ECHRNG 44 /* Channel number out of range */
#define EL2NSYNC 45 /* Level 2 not synchronized */
#define EL3HLT 46 /* Level 3 halted */
#define EL3RST 47 /* Level 3 reset */
#define ELNRNG 48 /* Link number out of range */
#define EUNATCH 49 /* Protocol driver not attached */
#define ENOCSI 50 /* No CSI structure available */
#define EL2HLT 51 /* Level 2 halted */
#define EBADE 52 /* Invalid exchange */
#define EBADR 53 /* Invalid request descriptor */
#define EXFULL 54 /* Exchange full */
#define ENOANO 55 /* No anode */
#define EBADRQC 56 /* Invalid request code */
#define EBADSLT 57 /* Invalid slot */
#define EDEADLOCK EDEADLK
#define EBFONT 59 /* Bad font file format */
#define ENOSTR 60 /* Device not a stream */
#define ENODATA 61 /* No data available */
#define ETIME 62 /* Timer expired */
#define ENOSR 63 /* Out of streams resources */
#define ENONET 64 /* Machine is not on the network */
#define ENOPKG 65 /* Package not installed */
#define EREMOTE 66 /* Object is remote */
#define ENOLINK 67 /* Link has been severed */
#define EADV 68 /* Advertise error */
#define ESRMNT 69 /* Srmount error */
#define ECOMM 70 /* Communication error on send */
#define EPROTO 71 /* Protocol error */
#define EMULTIHOP 72 /* Multihop attempted */
#define EDOTDOT 73 /* RFS specific error */
#define EBADMSG 74 /* Not a data message */
#define EOVERFLOW 75 /* Value too large for defined data type */
#define ENOTUNIQ 76 /* Name not unique on network */
#define EBADFD 77 /* File descriptor in bad state */
#define EREMCHG 78 /* Remote address changed */
#define ELIBACC 79 /* Can not access a needed shared library */
#define ELIBBAD 80 /* Accessing a corrupted shared library */
#define ELIBSCN 81 /* .lib section in a.out corrupted */
#define ELIBMAX 82 /* Attempting to link in too many shared libraries */
#define ELIBEXEC 83 /* Cannot exec a shared library directly */
#define EILSEQ 84 /* Illegal byte sequence */
#define ERESTART 85 /* Interrupted system call should be restarted */
#define ESTRPIPE 86 /* Streams pipe error */
#define EUSERS 87 /* Too many users */
#define ENOTSOCK 88 /* Socket operation on non-socket */
#define EDESTADDRREQ 89 /* Destination address required */
#define EMSGSIZE 90 /* Message too long */
#define EPROTOTYPE 91 /* Protocol wrong type for socket */
#define ENOPROTOOPT 92 /* Protocol not available */
#define EPROTONOSUPPORT 93 /* Protocol not supported */
#define ESOCKTNOSUPPORT 94 /* Socket type not supported */
#define EOPNOTSUPP 95 /* Operation not supported on transport endpoint */
#define EPFNOSUPPORT 96 /* Protocol family not supported */
#define EAFNOSUPPORT 97 /* Address family not supported by protocol */
#define EADDRINUSE 98 /* Address already in use */
#define EADDRNOTAVAIL 99 /* Cannot assign requested address */
#define ENETDOWN 100 /* Network is down */
#define ENETUNREACH 101 /* Network is unreachable */
#define ENETRESET 102 /* Network dropped connection because of reset */
#define ECONNABORTED 103 /* Software caused connection abort */
#define ECONNRESET 104 /* Connection reset by peer */
#define ENOBUFS 105 /* No buffer space available */
#define EISCONN 106 /* Transport endpoint is already connected */
#define ENOTCONN 107 /* Transport endpoint is not connected */
#define ESHUTDOWN 108 /* Cannot send after transport endpoint shutdown */
#define ETOOMANYREFS 109 /* Too many references: cannot splice */
#define ETIMEDOUT 110 /* Connection timed out */
#define ECONNREFUSED 111 /* Connection refused */
#define EHOSTDOWN 112 /* Host is down */
#define EHOSTUNREACH 113 /* No route to host */
#define EALREADY 114 /* Operation already in progress */
#define EINPROGRESS 115 /* Operation now in progress */
#define ESTALE 116 /* Stale NFS file handle */
#define EUCLEAN 117 /* Structure needs cleaning */
#define ENOTNAM 118 /* Not a XENIX named type file */
#define ENAVAIL 119 /* No XENIX semaphores available */
#define EISNAM 120 /* Is a named type file */
#define EREMOTEIO 121 /* Remote I/O error */
#define EDQUOT 122 /* Quota exceeded */
#define ENOMEDIUM 123 /* Nomedium found */
#define EMEDIUMTYEP 124 /*Wrongmedium found */
#define ECANCELED 125 /* Operation Canceled */
#define ENOKEY 126 /* Required key not available */
#define EKEYEXPIRED 127 /* Key has expired */
#define EKEYREVOKED 128 /* Key has been revoked */
#define EKEYREJECTED 129 /* Key was rejected by service */
#define EOWNERDEAD 130 /* Owner died */
#define ENOTRECOVERABLE 131 /* State not recoverable */
#define ERFKILL 132 /* Operation not possible due to RF-kill */
#define EHWPOISON 133 /* Memory page has hardware error */

 我们可以在 \textrm{Linux} 下写个程式去把这些错误码给打印出来:

运行结果如下:

会出来很多。。。

其中,0 表示 success,1 表示权限不允许,2 找不到文件或目录。

我们刚才 ls 一个不存在的,再 echo $?  显示对应的错误码就是 2:

总结:错误码退出码可以对应不同的错误原因,方便我们定位问题出在哪里。

4、进程终止的常见方法

正常终止(可以通过 echo $?  查看进程退出码)

main 函数返回    调用 exit     ③ _exit

我们先思考两个问题:

1. 在 main 函数中的 return(为什么其他函数不行)?
2. 在自己的代码任意地点中,调用 exit() 都可以做到进程退出。

 该函数想必大家并不陌生,exit 并不是一个系统调用,而是用 C 写的。

代码演示:我们来用一下这个 exit 函数:

运行结果如下:

 

运行完之后,打印完hello func之后,直接结束了程序,并没有返回,就在函数内部结束了。

main 函数调了 func 函数,进去打印后执行了 exit,最后进程没有返回直接在函数内部直接终止进程,这就叫调 exit 直接终止进程。此时我们 echo $? 得到的结果是 111 。

exit 当然也是可以在 main 函数中使用的,这里就不演示了。

如果你以后想终止一个进程,只需要在任意地点调用 exit 去 "代表" 进程退出

注意,只有在 main 函数调 return 才叫做 进程退出,其他函数调 return 叫做 函数返回。

下面我们再来讲解一下 _exit 函数,_exit 也是一个系统调用,也是可以用来终止进程的。

exit 和 _exit 是调用和被调用的关系,exit 是调用了 _exit 的。
代码演示:_exit 函数

 运行结果如下:

 区别:exit 会清理缓冲区,关闭流等操作,而 _exit 什么都不干,直接终止,并返回了我们随意写的退出码100

5、内核数据结构缓冲池

我们知道: 进程 = 内核结构 + 进程代码和数据 。

内核结构最典型的就是 task_struct 和 mm_struct,定义对象后以此充当进程的内核结构。

对于操作系统,可能并不会释放该进程的内核数据结构!

实际上,创建进程我们从零开始构建对象,创建对象分为两个步骤,即开辟空间与初始化。

无论是开辟空间还是初始化都是要花费时间的,存在 cost 的……那该怎么办?

\textrm{Linux} 会维护一张废弃的数据结构链表,我们称之为\textrm{obj},它是我们链表的数据结构结点。

当进程1释放后,进程的相关数据结构会维护进链表中,该数据结构是已经被操作系统释放掉了,但是并没有把它把它空间释放掉,而是设置其为 "无效"。当你再次创建进程时,它会从该队列中把相应的 task_struct 和 mm_struct 取出来,这就节省了开辟空间所花费的时间,要做的也只是把新进程的代码和空间进行初始化,可谓非常的轻松。

这种做法我们称之为 内核的数据结构缓冲池,该策略在操作系统中称为 slab 分派器 

 

由于内核数据结构高频地使用,创建一个进程释放一个进程是特别高频率的事情。

每次开辟空间再初始化难免有些累,既然频率高,那么索性不再对结构进行重新申请。

直接把数据结构缓存起来,要就拿,不要就再放回去(便利店借雨伞),这就是 slab 分配器。

 

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