在Linux上啟動程式時會發生什麼？

Brewin發表於2020-09-25
Linux

原文地址： What happens when you start a process on Linux?

這是關於fork和exec在Unix上的工作方式。你可能已經知道這一點，但有些人卻不知道，並且在幾年前當我知道的時候我感到很驚訝！

所以，你想開啟一個程式。在此部落格上，我們討論了很多系統呼叫 –每當你啟動一個程式或開啟檔案時，這就是系統呼叫。所以你可能會認為存在這樣的系統呼叫

start_process(["ls", "-l", "my_cool_directory"])

這是一個合理的考慮，顯然這是它在DOS / Windows中的工作方式。我要說的是這不是 Linux上的工作方式。我去看了看文件，表面上有一個叫posix_spawn的系統呼叫基本上可以做到這一點。這就是我所知道的。無論如何，我們不會談論這個。

fork and exec

Linux上的posix_spawn幕後操作是透過稱為fork和exec（實際上是execve）的2個系統呼叫來實現的 ，這是人們通常實際使用的。在OS X上，顯然不鼓勵人們使用posix_spawn和fork / exec！但是我們將討論的是Linux。

Linux中的每個程式都位於“程式樹”中。你可以透過執行pstree看到那棵樹 。樹的根是PID為1 的init。每個程式（init除外）都有一個父程式，而任何程式都有很多子程式。

因此，假設我要啟動一個名為ls的列出目錄過程。我只有一個孩子ls嗎？沒有！

我要做的是代替你生一個孩子，而這個孩子是我自己的一個克隆人，然後這個孩子的大腦被吞噬並變成ls。

我們開始像這樣：

my parent
    |- me

然後我跑fork()。我有一個孩子，是我的克隆人。

my parent
    |- me
       |-- clone of me

然後我整理一下，以便我的孩子執行exec("ls")。那讓我們

my parent
    |- me
       |-- ls

當ls退出時，我將再次獨自一人。大部分是這樣的

my parent
    |- me
       |-- ls (zombie)

此時，ls實際上是一個殭屍程式！這意味著它已經死了，但是它在等我，以防我想檢查它的返回值（使用wait系統呼叫）。一旦獲得了它的返回值，我真的將再次變得孤單。

my parent
    |- me

程式碼中的fork和exec看起來像什麼

如果你要編寫一個shell，這是你必須做的練習之一（這是一個非常有趣且有啟發性的專案！Kamal在Github上舉辦了一個很棒的講習班，介紹瞭如何做的事情：https : //github.com/ kamalmarhubi / shell-workshop）

事實證明，透過一些工作和一些C或Python技能，你可以在短短几個小時內（至少如果你旁邊有一個知道在做什麼的人，如果不知道時間會長一些）用C或Python編寫一個非常簡單的shell（如bash！）。他們正在做，如果沒有的話，要更長的時間:)）。我已經做到了，這太棒了。

無論如何，這是fork和exec在程式中的外觀。我寫了偽造的C虛擬碼。請記住， fork can fail! 

int pid = fork();
// now i am split in two! augh!
// who am I? I could be either the child or the parent
if (pid == 0) {
    // ok I am the child process
    // ls will eat my brain and I'll be a totally different process 
    exec(["ls"])
} else if (pid == -1) {
    // omg fork failed this is a disaster 
} else {
    // ok i am the parent
    // continue my business being a cool program
    // I could wait for the child to finish if I want
}

好吧，朱莉婭，大腦被吃掉對你意味著什麼

流程有很多屬性！

你有

  • 開啟檔案（包括開啟的網路連線）
  • 環境變數
  • 訊號處理程式（在程式上執行Ctrl + C會發生什麼？）
  • 一堆記憶體（你的“地址空間”）
  • 暫存器
  • 你執行的“可執行檔案”（/ proc / $ pid / exe）
  • cgroups和名稱空間（“ linux容器”）
  • 當前工作目錄
  • 你的程式執行使用者
  • 我忘記的一些其他東西

當你執行execve並有另一個程式吞噬了你的大腦時，實際上幾乎所有內容都保持不變！你擁有相同的環境變數和訊號處理程式以及開啟的檔案等等。

唯一改變的是，所有的記憶體和暫存器以及你正在執行的程式。這是一個很大的問題。

為什麼fork不是超級昂貴（或：寫時複製）

你可能會問“朱莉婭，如果我有一個使用2GB記憶體的程式該怎麼辦！這是否意味著每次啟動子程式時，都會複製所有2GB的記憶體？聽起來很貴！”

事實證明，Linux為fork（）呼叫實現了“寫時複製”，因此對於新程式中的所有2GB記憶體，就像“看看舊程式！一樣的！”。然後，如果任何一個程式寫入了任何記憶體，那麼它將開始複製。但是，如果兩個程式的記憶體都相同，則無需複製！

為什麼你可能會關心這一切

好的，茱莉亞，這很酷的瑣事，但為什麼重要呢？有關哪些訊號處理程式或環境變數被繼承的細節，或實際上對我的日常程式設計有什麼影響的細節？

也許會！例如，Kamal的部落格中存在一個令人愉快的錯誤。它討論了Python如何設定SIGPIPE忽略的訊號處理程式。因此，如果你從Python內部執行程式，則預設情況下它將忽略SIGPIPE！這意味著該程式的行為會有所不同，具體取決於你是從Python指令碼還是從Shell啟動它！在這種情況下，它導致了一個奇怪的錯誤！

因此，程式的環境（環境，訊號處理程式等）可能很重要！它是從其父程式繼承其環境的，無論那是什麼！在除錯時，有時這可能是有用的事情。

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