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大多數(shù)系統(tǒng)的進程能夠并發(fā)執(zhí)行，它們可以動態(tài)創(chuàng)建和刪除。因此，操作系統(tǒng)必須提供機制，用于創(chuàng)建進程和終止進程。

進程創(chuàng)建

進程在執(zhí)行過程中可能創(chuàng)建多個新的進程。創(chuàng)建進程稱為父進程，而新的進程稱為子進程。每個新進程可以再創(chuàng)建其他進程，從而形成進程樹。

大多數(shù)的操作系統(tǒng)（包括 UNIX、Linux 和 Windows）對進程的識別采用的是唯一的進程標識符（pid），pid 通常是一個整數(shù)值。系統(tǒng)內(nèi)的每個進程都有一個唯一 pid，它可以用作索引，以便訪問內(nèi)核中的進程的各種屬性。

圖 1 典型Linux系統(tǒng)的一個進程樹

圖 1 顯示了 Linux 操作系統(tǒng)的一個典型進程樹，包括進程的名稱和 pid（我們通常使用進程這個術(shù)語，不過 Linux 偏愛"任務(wù)"這個術(shù)語）。進程 init（它的 pid 總是 1），作為所有用戶進程的根進程或父進程。一旦系統(tǒng)啟動后，進程init可以創(chuàng)建各種用戶進程，如 Web 服務(wù)器、打印服務(wù)器、ssh 服務(wù)器等。

在圖 1 中，kthreadd 和 sshd 為 init 的兩個子進程。kthreadd 進程負責(zé)創(chuàng)建額外進程，以便執(zhí)行內(nèi)核任務(wù)（這里為 khelper 和 pdflush）。sshd 進程負責(zé)管理通過 ssh 連到系統(tǒng)的客戶端。login 進程負責(zé)管理直接登錄到系統(tǒng)的客戶端。在這個例子中，客戶已登錄，并且使用 bash 外殼，它所分配的 pid 為 8416。采用 bash 命令行界面，這個進程還創(chuàng)建了進程 ps 和 emacs 編輯器。

對于 UNIX 和 Linux 系統(tǒng)，我們可以通過 ps 命令得到一個進程列表。例如，命令

ps -el

可以列出系統(tǒng)中的所有當前活動進程的完整信息。通過遞歸跟蹤父進程一直到進程 init，可以輕松構(gòu)造類似圖 1 所示的進程樹。

一般來說，當一個進程創(chuàng)建子進程時，該子進程需要一定的資源（CPU 時間、內(nèi)存、文件、I/O 設(shè)備等）來完成任務(wù)。子進程可以從操作系統(tǒng)那里直接獲得資源，也可以只從父進程那里獲得資源子集。父進程可能要在子進程之間分配資源或共享資源（如內(nèi)存或文件）。限制子進程只能使用父進程的資源，可以防止創(chuàng)建過多進程，導(dǎo)致系統(tǒng)超載。

除了提供各種物理和邏輯資源外，父進程也可能向子進程傳遞初始化數(shù)據(jù)（或輸入）。例如，假設(shè)有一個進程，其功能是在終端屏幕上顯示文件如 image.jpg 的狀態(tài)。當該進程被創(chuàng)建時，它會從父進程處得到輸入，即文件名稱 image.jpg。通過這個名稱，它會打開文件，進而寫出內(nèi)容。它也可以得到輸出設(shè)備名稱。另外，有的操作系統(tǒng)會向子進程傳遞資源。對于這種系統(tǒng)，新進程可得到兩個打開文件，即 image.jpg 和終端設(shè)備，并且可以在這兩者之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

當進程創(chuàng)建新進程時，可有兩種執(zhí)行可能：

父進程與子進程并發(fā)執(zhí)行。
父進程等待，直到某個或全部子進程執(zhí)行完。

新進程的地址空間也有兩種可能：

子進程是父進程的復(fù)制品（它具有與父進程同樣的程序和數(shù)據(jù)）。
子進程加載另一個新程序。

為了說明這些不同，首先看一看 UNIX 操作系統(tǒng)。在 UNIX 中，正如以前所述，每個進程都用一個唯一的整型進程標識符來標識。通過系統(tǒng)調(diào)用 fork()，可創(chuàng)建新進程。新進程的地址空間復(fù)制了原來進程的地址空間。這種機制允許父進程與子進程輕松通信。這兩個進程（父和子）都繼續(xù)執(zhí)行處于系統(tǒng)調(diào)用 fork() 之后的指令，但有一點不同：對于新（子）進程，系統(tǒng)調(diào)用 fork() 的返回值為 0；而對于父進程，返回值為子進程的進程標識符（非零）。

通常，在系統(tǒng)調(diào)用 fork() 之后，有個進程使用系統(tǒng)調(diào)用 exec()，以用新程序來取代進程的內(nèi)存空間。系統(tǒng)調(diào)用 exec() 加載二進制文件到內(nèi)存中（破壞了包含系統(tǒng)調(diào)用 exec() 的原來程序的內(nèi)存內(nèi)容），并開始執(zhí)行。采用這種方式，這兩個進程能相互通信，并能按各自方法運行。父進程能夠創(chuàng)建更多子進程，或者如果在子進程運行時沒有什么可做，那么它采用系統(tǒng)調(diào)用 wait() 把自己移出就緒隊列，直到子進程終止。因為調(diào)用 exec() 用新程序覆蓋了進程的地址空間，所以調(diào)用 exec() 除非出現(xiàn)錯誤，不會返回控制。

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    /* fork a child process */
    pid = fork();
    if (pid < 0) { /* error occurred */\
        fprintf(stderr, "Fork Failed");
        return 1;
    }
    else if (pid == 0) { /* child process */
        execlp("/bin/ls"，"ls"，NULL);
    }
    else { /* parent process */
        /* parent will wait for the child to complete */
        wait(NULL);
        printf("Child Complete");
    }
    return 0;
}

以上所示的 C 程序說明了上述 UNIX 系統(tǒng)調(diào)用例子中。這里有兩個不同進程，但運行同一程序。這兩個進程的唯一差別是：子進程的 pid 值為0，而父進程的 pid 值大于0（實際上，它就是子進程的 pid）。子進程繼承了父進程的權(quán)限、調(diào)度屬性以及某些資源，諸如打開文件。

通過系統(tǒng)調(diào)用 execlp()（這是系統(tǒng)調(diào)用 exec() 的一個版本），子進程采用 UNIX 命令 /bin/ls（用來列出目錄清單）來覆蓋其地址空間。通過系統(tǒng)調(diào)用 wait()，父進程等待子進程的完成。當子進程完成后（通過顯示或隱式調(diào)用 exit()），父進程會從 wait() 調(diào)用處開始繼續(xù)，并且結(jié)束時會調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 exit()。這可用圖 2 表示。

圖 2 通過系統(tǒng)調(diào)用 fork() 創(chuàng)建進程

當然，沒有什么可以阻止子進程不調(diào)用 exec()，而是繼續(xù)作為父進程的副本來執(zhí)行。在這種情況下，父進程和子進程會并發(fā)執(zhí)行，并采用同樣的代碼指令。由于子進程是父進程的一個副本，這兩個進程都有各自的數(shù)據(jù)副本。

作為另一個例子，接下來看一看 Windows 的進程創(chuàng)建。進程創(chuàng)建采用 Windows API 函數(shù) CreateProcess()，它類似于 fork()（這是父進程用于創(chuàng)建子進程的）。不過，fork() 讓子進程繼承了父進程的地址空間，而 CreateProcess() 在進程創(chuàng)建時要求將一個特定程序加載到子進程的地址空間。再者，fork() 不需要傳遞任何參數(shù)，而 CreateProcess() 需要傳遞至少 10 個參數(shù)。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main(VOID)
{
    STARTUPINFO si;
    PR0CESS_INF0RMATI0N pi;
    /* allocate memory */
    ZeroMemory(&si, sizeof(si));
    si.cb = sizeof(si);
    ZeroMemory(&pi， sizeof(pi));
    /* create child process */
    if (!CreateProcess(NULL, /* use command line */
    "C: \\WIND0WS\\system32\\mspaint. exe" , /* command */ NULL, /* don，t inherit process handle */
    NULL, /* don^ inherit thread handle */
    FALSE, /* disable handle inheritance */
    0, /* no creation flags */
    NULL, /* use parentJs environment block */
    NULL, /* use parent1s existing directory */
    &si,
    &pi))
    {
        fprintf (stderr, "Create Process Failed");
        return -1;
    }
    /* parent will wait for the child to complete */
    WaitForSingleObject(pi.hProcess,INFINITE);
    printf("Child Complete");
    /* close handles */
    CloseHandle(pi.hProcess);
    CloseHandle(pi.hThread);
}

以上所示的 C 程序演示了函數(shù) CreateProcess()，它創(chuàng)建了一個子進程，并且加載了應(yīng)用程序 mspaint.exe。這里選擇了 10 個參數(shù)中的許多默認值來傳遞給 CreateProcess()。

傳遞給 CreateProcess() 的兩個參數(shù)，為結(jié)構(gòu) STARTUPINFO 和 PROCESS-INFORMATION 的實例：

結(jié)構(gòu) STARTUPINFO 指定新進程的許多特性，如窗口大小和外觀、標準輸入與輸出的文件句柄等；
結(jié)構(gòu) PR0CESS_INF0RMATI0N 含新進程及其線程的句柄與標識符。

在進行 CeateProcess() 之前，調(diào)用函數(shù) ZeroMemory() 來為這些結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存。

函數(shù) CreateProcess() 的頭兩個參數(shù)是應(yīng)用程序名稱和命令行參數(shù)。如果應(yīng)用程序名稱為 NULL（這里就是 NULL），那么命令行參數(shù)指定了所要加載的應(yīng)用程序。在這個例子中，加載的是 Microsoft Windows 的 mspaint.exe 應(yīng)用程序。

除了這兩個初始參數(shù)之外，這里使用系統(tǒng)默認參數(shù)來繼承進程和線程句柄，并指定沒有創(chuàng)建標志；另外，這里還使用了父進程的已有環(huán)境塊和啟動目錄。最后，提供了兩個指向程序剛開始時所創(chuàng)建的結(jié)構(gòu) STARTUPINFO 和 PROCESS_INFORMATION 的指針。

在 UNIX 系統(tǒng)調(diào)用例子中，父進程通過調(diào)用 wait() 系統(tǒng)調(diào)用等待子進程的完成；而在 Windows 中與此相當?shù)氖?WaitForSingleObject()，用于等待進程完成，它的參數(shù)指定了子進程的句柄即 pi.hProcess。一旦子進程退出，控制會從函數(shù) WaitForSingleObject() 回到父進程。

進程終止

當進程完成執(zhí)行最后語句并且通過系統(tǒng)調(diào)用 exit() 請求操作系統(tǒng)刪除自身時，進程終止。這時，進程可以返回狀態(tài)值（通常為整數(shù)）到父進程（通過系統(tǒng)調(diào)用 wait()）。所有進程資源，如物理和虛擬內(nèi)存、打開文件和 I/O 緩沖區(qū)等，會由操作系統(tǒng)釋放。

在其他情況下也會出現(xiàn)進程終止。進程通過適當系統(tǒng)調(diào)用（如 Windows 的 Terminate-Process()），可以終止另一進程。通常，只有終止進程的父進程才能執(zhí)行這一系統(tǒng)調(diào)用。否則，用戶可以任意終止彼此的作業(yè)。記住，如果終止子進程，則父進程需要知道這些子進程的標識符。因此，當一個進程創(chuàng)建新進程時，新創(chuàng)建進程的標識符要傳遞到父進程。

父進程終止子進程的原因有很多，如：

子進程使用了超過它所分配的資源。（為判定是否發(fā)生這種情況，父進程應(yīng)有一個機制，以檢查子進程的狀態(tài)）。
分配給子進程的任務(wù)，不再需要。
父進程正在退出，而且操作系統(tǒng)不允許無父進程的子進程繼續(xù)執(zhí)行。

有些系統(tǒng)不允許子進程在父進程已終止的情況下存在。對于這類系統(tǒng)，如果一個進程終止（正?；虿徽＃?，那么它的所有子進程也應(yīng)終止。這種現(xiàn)象，稱為級聯(lián)終止，通常由操作系統(tǒng)來啟動。

為了說明進程執(zhí)行和終止，下面以 Linux 和 UNIX 系統(tǒng)為例：可以通過系統(tǒng)調(diào)用 exit() 來終止進程，還可以將退出狀態(tài)作為參數(shù)來提供。

/* exit with status 1 */
exit(1);

事實上，在正常終止時，exit() 可以直接調(diào)用（如上所示），也可以間接調(diào)用（通過 main() 的返回語句）。

父進程可以通過系統(tǒng)調(diào)用 wait()，等待子進程的終止。系統(tǒng)調(diào)用 wait() 可以通過參數(shù)，讓父進程獲得子進程的退出狀態(tài)；這個系統(tǒng)調(diào)用也返回終止子進程的標識符，這樣父進程能夠知道哪個子進程已經(jīng)終止了：

pid_t pid;
int status;
pid = wait(festatus);

當一個進程終止時，操作系統(tǒng)會釋放其資源。不過，它位于進程表中的條目還是在的，直到它的父進程調(diào)用 wait()；這是因為進程表包含了進程的退出狀態(tài)。當進程已經(jīng)終止，但是其父進程尚未調(diào)用 wait()，這樣的進程稱為僵尸進程。

所有進程終止時都會過渡到這種狀態(tài)，但是一般而言僵尸只是短暫存在。一旦父進程調(diào)用了 wait()，僵尸進程的進程標識符和它在進程表中的條目就會釋放。

如果父進程沒有調(diào)用 wait() 就終止，以致于子進程成為孤兒進程，那么這會發(fā)生什么？Linux 和 UNIX 對這種情況的處理是：將 init 進程作為孤兒進程的父進程。進程 init 定期調(diào)用 wait()，以便收集任何孤兒進程的退出狀態(tài)，并釋放孤兒進程標識符和進程表條目。

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