行程控制 (Process Control)

Overview Table

8.4.1 取得行程 ID (p.775)

每個行程都有一個唯一的正(非零)行程 ID(PID)。兩個查詢函式:

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void);    /* 回傳呼叫者自己的 PID */
pid_t getppid(void);   /* 回傳父行程(建立自己的行程)的 PID */

• 回傳型別 pid_t,Linux 上在 types.h 定義為 int。
• PID 非零這件事,是 fork 能用回傳值區分父子的關鍵(見 8.4.2)。

8.4.2 建立與終止行程 (p.775-778)

從程式設計師觀點,行程處於三種狀態之一:

                +----------------------------------+
                |     SIGSTOP/SIGTSTP/             |
                |     SIGTTIN/SIGTTOU              v
          +---------+                         +---------+
          | Running |                         | Stopped |
          | (執行中或 |                         | (暫停,不被 |
          |  等待排程) |<------ SIGCONT --------|  排程)    |
          +---------+                         +---------+
                |
                | (1) 收到預設動作為終止的 signal
                | (2) 從 main 返回
                | (3) 呼叫 exit()
                v
         +------------+
         | Terminated |  --(被父行程 reap 前是 zombie)--> 消滅
         +------------+

• Running:正在 CPU 上執行,或等待被 kernel 排程。
• Stopped:被 SIGSTOP / SIGTSTP / SIGTTIN / SIGTTOU 暫停,收到 SIGCONT 才恢復 Running(signal 詳見 08-Exceptional-Control-Flow/05-Signals)。
• Terminated:永久停止;三種原因:收到預設動作為終止的 signal、從 main 返回、呼叫 exit。

#include <stdlib.h>
void exit(int status);   /* 不回傳;以 status 為 exit status 終止行程 */

設定 exit status 的另一途徑是從 main 回傳整數值。

fork:呼叫一次、回傳兩次

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
/* 回傳:子行程得到 0;父行程得到子行程的 PID;錯誤回傳 -1 */

子行程與父行程「幾乎但不完全」相同,四個必考重點 (p.776-777):

• Call once, return twice:父呼叫一次,父、子各回傳一次。父得到子的 PID,子得到 0;因 PID 恆非零,回傳值可無歧義地分辨身分。
• Concurrent execution:父子是獨立行程並行執行,kernel 可任意交錯其指令;不可假設任何執行順序。
• Duplicate but separate address spaces:子取得父的 user-level 虛擬位址空間的相同但獨立的副本(code、data、heap、shared libraries、user stack)。fork 後任一方修改變數(如例中 x)不影響另一方。
• Shared files:子繼承父所有開啟的 file descriptor——所以父子的 printf 都印到同一個螢幕(stdout 在 fork 時已開啟)。

Process graph(行程圖)(p.777-778)

Process graph 是一種 precedence graph:頂點 = 一條敘述的執行;邊 a → b = a「happens before」b。起點是父行程呼叫 main(無 inedge),每條行程鏈終於 exit(無 outedge)。

Figure 8.15(fork.c)對應的 process graph(即 Figure 8.16;fork 前 x=1,子印 ++x=2、父印 --x=0):

                         child: x=2
                  +----> printf ----> exit        (Child)
                  |
   x==1           |      parent: x=0
  main ---> fork -+----> printf ----> exit        (Parent)

巢狀 fork(Figure 8.17,兩個連續 Fork() → 4 個行程,各印一次 hello):

                                hello
                          +---> printf -> exit
                          |     hello
                 +-> fork-+---> printf -> exit
                 |              hello
                 |        +---> printf -> exit
                 |        |     hello
  main --> fork -+-> fork-+---> printf -> exit

8.4.3 回收子行程 (Reaping) (p.779-785)

行程終止後 kernel 不會立即移除它,而是保持在 terminated 狀態直到被父行程 reap(回收):父回收時 kernel 把子的 exit status 交給父,然後銷毀該行程。

• Zombie:已終止但尚未被回收的行程。雖不執行,仍佔用系統記憶體資源。
• init 行程:PID = 1,由 kernel 在開機時建立、永不終止、是所有行程的祖先。父行程先終止時,kernel 安排 init 收養 (adopt) 孤兒行程並代為回收 zombie。
• 長時間執行的程式(shell、server)必須自行回收 zombie 子行程,不能依賴 init。

waitpid

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statusp, int options);
/* 回傳:成功為子行程 PID;WNOHANG 且無子終止時為 0;錯誤為 -1 */

預設(options = 0):暫停呼叫者直到 wait set 中某個子行程終止;若已有子行程先終止則立即回傳。回傳造成回傳的那個子行程的 PID,此時該子已被回收、kernel 抹除其所有痕跡。

Wait set 成員由 pid 參數決定 (p.780):

(waitpid 也支援以 process group 定義 wait set,書中未討論。)

options 修改預設行為(可用 | 組合):

檢查 exit status:若 statusp 非 NULL,waitpid 把狀態資訊編碼進 *statusp,以 wait.h 巨集解讀:

錯誤條件 (p.781):

• 呼叫者沒有子行程 → 回傳 −1,errno = ECHILD。
• waitpid 被 signal 中斷 → 回傳 −1,errno = EINTR。

wait:簡化版

pid_t wait(int *statusp);   /* 回傳:子行程 PID 或 -1 */

wait(&status) 等價於 waitpid(-1, &status, 0)。

兩種回收模式(Figure 8.18 vs. 8.19)

8.4.4 讓行程休眠 (p.785-786)

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int secs);  /* 回傳:剩餘未睡足的秒數 */
int pause(void);                        /* 永遠回傳 -1 */

• sleep:暫停行程指定秒數。睡足回傳 0;被 signal 中斷而提早返回時,回傳剩餘秒數(此即 Practice Problem 8.5 wakeup 包裝的素材)。
• pause:讓呼叫者睡到收到 signal 為止;always returns −1。

8.4.5 載入並執行程式 (p.786-789)

#include <unistd.h>
int execve(const char *filename, const char *argv[], const char *envp[]);
/* 成功不回傳;錯誤(如找不到 filename)回傳 -1 */

execve 在「目前行程的 context」載入並執行可執行目的檔 filename,帶入引數列 argv 與環境變數列 envp。

• 與 fork 對比:fork 呼叫一次回傳兩次;execve 呼叫一次、成功時永不回傳。
• argv:指向 null-terminated 指標陣列,每個元素指向一個引數字串;慣例 argv[0] 是可執行檔名。
• envp:同樣結構,每個字串是 name=value 形式的名值對。

execve 載入 filename 後,呼叫 start-up code(見 07-Linking/03-Executable-Loading-and-Dynamic-Linking 的 7.9 節),start-up code 設好 stack 後把控制交給新程式的 main:

int main(int argc, char **argv, char **envp);

新程式啟動時 user stack 的組織(Figure 8.22,由高位址往低位址):

  高位址(Bottom of stack)
  +--------------------------------------+
  | Null-terminated 環境變數字串           |
  +--------------------------------------+
  | Null-terminated 命令列引數字串          |
  +--------------------------------------+
  | envp[n] == NULL                      |
  | envp[n-1]                            | <-- environ(全域變數)指向 envp[0]
  |   ...                                |
  | envp[0]                              | <-- envp(傳入 %rdx)
  +--------------------------------------+
  | argv[argc] == NULL                   |
  | argv[argc-1]                         |
  |   ...                                |
  | argv[0]                              | <-- argv(傳入 %rsi)
  +--------------------------------------+
  | libc_start_main 的 stack frame       |     argc 傳入 %rdi
  +--------------------------------------+
  | (main 未來的 stack frame)             |
  +--------------------------------------+
  低位址(Top of stack)

• main 的三個引數依 x86-64 慣例放暫存器:argc → %rdi、argv → %rsi、envp → %rdx。
• argc = argv[] 陣列中非 NULL 指標的數目。
• 全域變數 environ 指向 envp[0]。

操作環境變數陣列的函式:

#include <stdlib.h>
char *getenv(const char *name);   /* 找到回傳指向 value 的指標;否則 NULL */
int setenv(const char *name, const char *newvalue, int overwrite);
                                  /* 成功 0,錯誤 -1 */
void unsetenv(const char *name);  /* 無回傳值 */

• getenv:在環境陣列搜尋 name=value,回傳指向 value 的指標。
• setenv:若 name=oldvalue 已存在,僅當 overwrite 非零才以 newvalue 取代;若 name 不存在則新增 name=newvalue。
• unsetenv:刪除 name=oldvalue。

8.4.6 用 fork 和 execve 執行程式:簡易 shell (p.789-792)

Shell 是代表使用者執行其他程式的互動式應用層程式(sh → csh、tcsh、ksh、bash)。它執行一連串 read/evaluate 步驟後終止:read 讀取命令列,evaluate 解析並代為執行程式。

  shellex.c 的 eval 流程:

  cmdline
     |
     v
  parseline(buf, argv)  --- 解析空白分隔的 token,建 argv;
     |                      尾端 '&' → 回傳 1 (background),否則 0 (foreground)
     v
  argv[0]==NULL? --yes--> return(忽略空行)
     |no
     v
  builtin_command(argv)? --yes(如 quit)--> 立即執行內建命令
     |no
     v
  Fork()
     |--- 子行程: execve(argv[0], argv, environ)
     |            失敗 → 印 "Command not found." 後 exit(0)
     |
     `--- 父行程: bg? --no--> waitpid(pid, &status, 0) 等前景工作結束
                    |
                    `--yes--> 印出 "pid cmdline",立刻回到迴圈讀下一行

• main(Figure 8.23):無窮迴圈印提示字元 >、Fgets 讀 stdin、EOF 則 exit(0)、否則呼叫 eval。
• parseline(Figure 8.25):把結尾 \n 換成空白、跳過前導空白、以 strchr 切出各引數、argv[argc] = NULL 收尾;最後一個引數是 & 則從 argv 移除並回傳 1(背景執行)。
• builtin_command(Figure 8.24):第一個引數是內建命令就立即解譯並回傳 1;此簡易 shell 只有 quit(真實 shell 還有 pwd、jobs、fg 等)。
• 非內建命令:fork 子行程,在子行程內 execve 載入使用者程式;前景 (foreground) 工作用 waitpid 等它終止,背景 (background) 工作不等、直接回到迴圈。

Exam/Test Patterns

Related Notes

• 08-Exceptional-Control-Flow/01-Exceptions
• 08-Exceptional-Control-Flow/02-Processes-and-Context-Switches
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• 07-Linking/03-Executable-Loading-and-Dynamic-Linking
• 09-Virtual-Memory/04-Memory-Mapping
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