Linux 进程的生命周期

这篇文章将介绍 Linux 中一个进程是如何诞生的，如何结束的。进程有哪些的不同状态，这些状态如何进行转换。

首先我们从进程的基本概念说起。

Linux 中，进程是由父进程创建的，每一个进程又可以作为父进程再创建子进程。每一个进程都有一个ID，叫做 pid，作为进程的唯一标志。Pid 在系统的同一时间不会重复，当分配 pid 的时候，kernel 会取当前系统中最大的 pid + 1，直到这个值超过 /proc/sys/kernel/pid_max ，所以 kernel 不保证 pid 在不同时间不会复用。在进程的结构体里面保存了 ppid，就是父进程的 id。根据 pid 和 ppid 我们可以找到每一个进程的父进程，这样，系统中所有的进程就像一个树一样可以串起来。

通过 pstree 这个工具，我们用一个树展示出所有的进程。

可以看到，最上层的进程的 pid 是 1，其他的进程要么是 pid 1 进程的子进程，要么是 pid 1 子进程的子进程，pid 1 的进程是所有进程的“祖先”。Pid 为 1 的进程，是在 kernel 启动的时候就创建的，所以实际 init 进程没有通常意义上的“父进程”，这里显示出它的父进程是进程0，只是一个标志。

Pid 为 1 的进程是可以指定的，我这个系统中是 systemd。如果不指定的话，Kernel 将尝试以下 4 个可执行文件：

1. /sbin/init: The preferred and most likely location for the init process.
2. /etc/init: Another likely location for the init process.
3. /bin/init: A possible location for the init process.
4. /bin/sh: The location of the Bourne shell, which the kernel tries to run if it fails to find an init process.

除了 pid 为 1 的进程外，其实还有一个 pid 为 2 的进程，父进程也是 0. 这个进程叫 kthreadd。

同理，这个进程也是在 Kernel 启动的时候就创建的。Linux 中有一些进程是跑在 Kernel 中的，但是为了统一调度，这些进程也同用户进程一样放在一起管理。kthreadd 就是这些 kernel 进程的父进程，等同于 init 进程（或者 systemd 进程）之于我们的用户进程。

Pid 0可以认为就是 kernel 本身。这个进程也是 idel process，当没有可以运行的进程的时候，kernel 就运行进程 0.

那么一个进程是如何产生自己的子进程的呢？

进程创建

在 Unix 中，创建进程和载入要执行的程序是分开的。创建一个进程一共2步，涉及2个 syscall。

第一个是 fork()，负责创建出来一个新的进程。那么新的进程也需要有可执行的代码、地址空间啥的呀，默认是啥呢？总不能是空的吧，如果是空的，那 kernel 执行到这个进程怎么办？

答案是 fork() 出来的进程，和父进程是一模一样的，除了：

• 子进程的 pid 被重新分配；
• 子进程的父进程被设置为原来的进程；
• 子进程资源的统计被初始化成0；
• 子进程中，未处理的 signal 全部清除；
• 父进程的 file lock 不会继承到子进程；

那两个进程是一模一样的，我执行了 fork() 之后，怎么让这两个进程做不一样的事情呢？答案是 fork() 的返回值不同，fork() 在父进程中返回子进程的 pid，在子进程中返回 0.这样我们就可以在调用 fork() 之后，通过一个 if 判断，让子进程和父进程做不一样的事情。一般是下面这种代码模板：

 

新的进程创建好了，我们想让新的进程去执行另一部分任务，但是无法像上面这样都写在代码中，怎么办呢？举个很好理解的场景，我在终端的 bash 中执行了一个 top 命令，那么 bash 的代码肯定是和 top 没有关系的，怎么让 bash 新创建的子进程去执行 top 的代码吗？

这就是载入部分了。载入的 syscall 是一个函数族，这里用调用最简单的 execl() 举例：

有关 execl 具体的行为，可以参考下 manual.  exec 是一个 syscall family，除了 execl() 这个之外，还有：execl, execlp, execle, execv, execvp, execvpe。本质上他们都一样，只是传入参数的格式、path、环境变量有些许不同。这些函数都是 glibc 提供的库函数（其他的 C 库提供的会有所不同，比如 libc 提供的函数族就是 execl, execle, execlp, execv, execvp, execvP ），底层他们调用的都是 execve（感谢 Nitroethane 指正）。

通常，打开的文件可以通过 exec 继承。比如父进程打开了一个文件，那么父进程的子进程是有 full access 的。如果不想这么做的话，可以在 exec 之前关闭这些文件。

 

Copy-on-write

在早期的 Unix 系统中，fork() 之后要复制很多东西到子进程，最耗时的是要一个 page 一个 page 地拷贝内存，这个操作非常耗时。

现代的 Unix 系统中，有一种叫做 copy-on-write 的机制。本质上是对这种资源复制的优化策略：如果多个消费者都需要一段内存的副本的话，先不去真正的做拷贝，而是让这些消费者都认为自己持有这段内存。如果进行读操作，那其实大家读到的还是同一段内存；如果要进行写操作，那这段内存（以 page 为单位）就会透明地被 kernel 拷贝出来。所以是一种懒加载的策略，只有用到的时候才去拷贝。

fork() 可以说是这个机制的最大受益者，因为 fork() 之后经常跟的是 exec ，也就是说子进程被 fork 出来之后都去干别的了，你复制一遍父进程的内存过来也没有意义。

这里我还想提一下，Redis 的 rdb 机制也是 copy-on-write 的一大受益者。Redis 的 rdb 就是定期将 Redis 内存中存储的数据转存到硬盘上，这个功能是基于 fork 实现的：当 Reids 要要 dump rdb 的时候，先 fork 出一个子进程，然后子进程开始从内存读出来数据，写到硬盘上，而原来的进程（父进程）继续提供服务。得益于 copy-on-write，子进程不需要完全复制一份父进程的内存来做写硬盘操作，即节省了时间和CPU，也节省了内存——它和父进程读的是同一段内存。

但是这里有个问题就是，假如 Reids 用在了一个写操作非常频繁的场景的话，那 copy-on-write 的意义就不大了。子进程 fork 出来之后，父进程因为写入很频繁，大部分内存都脏了，都需要被 kernel copy 出一份进行写操作。就可能导致在 dump rdb 的时候，内存占用提升了一倍（子进程和父进程分别有一份内存）。

进程销毁

一个进程要结束自己，非常简单。调用 exit() 这个 syscall，kernel 就会结束这个函数的调用者进程。我们也可以通过 atexit() 或 on_exit() 函数注册一些进程退出时的 hook。

除了显示的调用 exit() 之外，一个经典的退出方式是执行完整个程序。比如 main() 函数的代码最后，编译器会插入一个 _exit()。

进程收到 SIGTERM 或 SIGKILL 之后也会退出。具体的 signal 下面会介绍。

最后一种结束进程的方式是，惹的 kernel 不高兴了。比如出现 OOM 了（out-of-memory），或者 segment fault。kernel 会结束这个进程。

子进程退出之后，谁关心子进程是如何退出的呢？比如 daemon 进程退出了，systemd 如何实现“restart on failure”呢？所以这里还需要某种机制，来关心子进程的退出状态。

当子进程的状态改变之后，父进程会发生2件事情：

• 父进程会收到 SIGCHLD 信号；
• 父进程 block 调用 waitpid() 会返回（即这个系统调用会拿到子进程具体的事件）；

也就是说父进程如果关心子进程的状态的话，一般是会设置 SIGCHLD 信号的 handler（进程如何处理信号，本文暂不涉及），收到这个信号之后去调用 wait() 系统调用，得到具体的事件。

这里有一个 Python 写的例子，展示了父进程如何得到子进程的状态。

执行这段程序，输出如下：

这段代码执行的流程如下：

子进程在退出之后，保存进程状态的一些信息并不会立即销毁，因为这样的话，父进程就无法获得这些信息了。它们等待父进程调用 wait() 来读出来后，才会真正销毁。

这种已经退出，但是 state change 并没有被父进程读到的进程，叫做讲僵尸进程（Zombies）。父进程创建了子进程，就需要对子进程负责，在子进程退出之后，去调用 wait() 来 clear 这些子进程状态，即使父进程并不关心这些状态是什么。不然的话，这些子进程的状态将一直存在，占用资源（虽然很少），成为 ghosts，这些 ghosts 的 parent 也成为了不负责任的父母。

通常，我们可以安装一个 signal handler 来 wait() 这些子进程。需要注意的是，发给父进程的 SIGCHLD 可能被合并，比如有 3 个子进程退出了，但是父进程实际上只会收到一次 SIGCHLD。所以我们在 wait() 的时候要注意使用一个循环。

 

如果一个进程创建了子进程，但是在子进程之前就退出了呢？这样子进程就没有父进程来调用 wait() 了。

当一个进程结束的时候，kernel 会遍历它的子进程，将这些父进程已经死掉的进程，分配给 init 进程（即 pid 是1的进程）作为它们的父进程。这就保证了系统中每一个进程，都有一个直接的父进程。init 进程会定期去 wait() 它所有的子进程。

进程的状态

上面我们已经提到了一些进程的状态：Zombies，Runing，Stopped。

这里重点解释一下几种状态：

• R – runnable，处于这个状态的进程是可以执行的，会被 kernel 放到一个待执行的 queue 中，分配时间片去执行。我们无法控制进程的运行，runnable 的进程由 kernel 的 scheduler 来决定什么时候运行，运行多长时间；
• D – 不可中断的 sleep（一般是IO）；
• S – 可中断的 sleep；
• Z – 进程已死，或者失去响应，死透了；
• T – 进程以暂停（是可以恢复的，还没死透）；

这里面其他状态都比较好理解，D 和 S 有点模糊。

代码在执行的时候，会在 user space 和 kernel space 之间切换。当执行 syscall 的时候，代码的执行从用户空间切换到内核空间。当在等待 system call 的时候，进程处于 S 状态或者 D 状态。S 状态比如 read() ，这时收到像 SIGTERM 这样的信号，进程就会提前结束 syscall，返回用户空间，执行 signal hanlder 的代码；如果是处于 D 状态，进程就是不可 kill 的。

T 状态是可以恢复的暂停。比如我们给进程发送 SIGSTOP 或者按 CTRL+Z，就可以将进程置为暂停状态，可以通过 bg/fg 命令，或者发送 SIGCONT 信号恢复。

下面开启了一个 sleep 命令，然后用 CTRL+Z 暂停它，再用 fg 重新开启。展示了 S -> T -> S 的状态转换：

将 sleep 命令替换成 yes > /dev/null ，上面实验的状态 S 会变成 R，其他一样。

综上，状态流转如下（再盗图一张）：

所有的进程状态，可以看下这个文档，介绍了源代码中定义的进程状态。

信号

上面介绍了一些信号，这里再列一些常用的：

• SIGCHLD:子进程状态改变；
• SIGCONT: 进程继续执行；
• SIGSTOP: 进程暂停，和上面的 SIGCONT 是一对；
• SIGTERM: 指示进程结束，这个信号可以被捕捉或者忽略，允许进程收到这个信号之后 gracefully exit；
• SIGKILL: 立即结束进程，收到这个信号的进程无法忽略这个信号，必须退出。但是 init 除外，init 不接受 SIGKILL；
• SIGINT: 从终端（用 CTRL+C）发出的终端信号。在一些 REPL 中会介绍当前的命令，也有些进程的表现是直接退出；

信号本质上是一中进程间通讯方式（IPC），Signal wiki。

 

以上就是基本的进程知识了，本文所有的参考资料已经在文中链接。这是我最近读 Linux System Programming 的笔记，如有理解错误，请指出。接下来还会分享一些有关 Linux 的文章。

---