UNIX的進程

在UNIX系統中，每個系統和最終用戶任務都包含在某個進程中。系統總是不斷地創建新的進程，當任務結束或意外發生時，進程會終止。在本文中，您將了解如何控制進程和使用一些命令來查看您的系統。

在最近的街頭游樂會上，有一個單人樂隊讓我很是著迷。的確，這讓我很開心，還給我留下了深刻印象。這個單人樂隊的唯一成員利用嘴、大腿、膝蓋和腳分別控制口琴、五弦琴、钹和腳鼓，生動地演奏了齊柏林飛船樂隊的《天堂的階梯》，他演奏的貝多芬《第五交響曲》也頗為動人。和他相比，我能一邊拍腦袋一邊摸肚子就覺得很不錯了。（或者是一邊拍肚子一邊摸腦袋。）

對您來說，幸運的是，UNIX® 操作系統更像是那個單人樂隊，而不是像我這個笨手笨腳的專欄作家。UNIX特別擅長同時處理多個任務，並安排它們訪問系統中的有限資源（內存、設備和 CPU）。打個比方，UNIX 可以一邊散步，一邊嚼口香糖。

這個月我們研究的內容要比平常更深入一些，我們會看看 UNIX 是如何同時做這麼多事的。這次我們還會探索 shell 的內部，了解工作控制命令，如 Ctrl+C（終止）和 Ctrl+Z（掛起）是怎樣實現的。

一個真正的多任務系統

在 UNIX（以及大多數現代操作系統，包括 Microsoft® Windows®、Mac OS X、FreeBSD 和 Linux®）中，每個計算任務都是由一個進程表示的。UNIX 似乎能同時運行很多任務，這是因為每個進程都會輪流（從概念上來講）分到一小片 CPU 時間。

一個進程就像一個容器，它與某個正在運行的應用程序、環境變量、應用程序的輸入和輸出，以及進程的狀態（包括其優先級和累計資源使用情況）捆綁在一起。圖 1 顯示了一個進程。

圖 1. UNIX進程的概念化模型

為了便於理解，您可以把一個進程想像成一個獨立的國家，有邊界、資源，還有國民生產總值。

每個進程還有一個所有者。一般來說，您啟動的任務（如您的 shell 和命令）的所有者就是您。系統服務的所有者可能是特殊用戶或超級用戶 root。例如，為了增強安全性，Apache HTTP Server 的所有者一般是一個名為 www 的專用用戶，該用戶能提供 Web 服務器所需的的文件訪問權限，但不包含其他權限。

進程的所有權可能會改變，但必須嚴格保持其獨占性。一個進程在任何時候都只能有一個所有者。

最後，每個進程都具有權限。一般來說，進程的權限與其所有者的權限是相稱的。（例如，如果您無法在命令行 Shell 中訪問某個特定文件，則您從 Shell 中啟動的程序也會繼承同樣的限制。）這一繼承規則有一個例外情況，即應用程序啟用了特殊的 setuid 或 setgid 位，如 ls 顯示的那樣，在此情況下，某個進程可能會獲得比其所有者更高的權限。

setuid 位可以使用 chmod u+s 進行設置。setuid 的權限如下所示：

$ ls -l /usr/bin/top
-rwsr-xr-x　　 1 root　wheel　　 83088 Mar 20　2005 top

setgid 位可以使用 chmod g+s 設置：

$ ls -l /usr/bin/top
-r-xr-sr-x　 1 root　tty　19388 Mar 20　2005 /usr/bin/wall

一個 setuid 進程（如啟動 top）是用擁有該文件的用戶權限運行的。因此，當您運行 top 時，您的權限會被提升，與 root 的權限等同。類似地，一個 setgid 進程是用與文件的組所有者相關聯的權限運行的。

例如，在 Mac OS X 中，wall 工具（“write all”的縮寫，因其會將某個消息寫入所有物理或虛擬終端設備而得名）的 setgid 被設為tty（如上所示）。當您登錄並分配到一個用來鍵入的終端設備（該終端成為 Shell 的標准輸入）時，您將被指定為該設備的所有者，而 tty 成為組所有者。因為 wall 是以組 tty 的權限運行的，所以它可以打開和寫入所有終端。

獲取列表

就像所有其他系統資源一樣，您的UNIX有一個有限但十分龐大的進程池（實際上，系統中的進程幾乎用之不盡）。每個新任務（如啟動 vi 或運行 xclock）都會立即從池中分配到一個進程。在 UNIX 系統中，您可以使用 ps 命令，查看一個或多個進程。

例如，如果您想查看您擁有的所有進程，鍵入 ps -w --user username ： $ ps -w --user mstreicher

您可以使用 ps -a -w -x 查看完整的進程列表。（ps 命令的格式和特定的標志隨各個 UNIX 版本而有所差異。請參閱系統的聯機文檔，以查找具體的說明。） -a 是選擇 tty 設備上運行的所有進程；-x 則可進一步選擇與 tty 無關的所有進程，通常包括所有的永久系統服務，如 Apache HTTP server、cron 工作調度程序等等；-w 則以加寬的格式顯示內容，在查看命令行或與每個進程相關的應用程序完整路徑名時很有用。

ps 具有豐富的功能，某些版本的 ps 甚至允許您自定義輸出。例如，下面就是一個有用的自定義進程列表：

$ ps --user mstreicher -o pid,uname,command,state,stime,time
PID USER　　 COMMAND　　　　　S STIME　　 TIME
14138 mstreic　sshd: mstreicher S 09:57 00:00:00
14139 mstreic　-bash　　　　　　S 09:57 00:00:00
14937 mstreic　ps --user mstrei R 10:23 00:00:00

-o 根據各列名稱的順序對輸出進行格式化。pid、uname 和 command 分別指進程 ID、用戶名和命令。state 代表進程的狀態，如正在睡眠 (S) 或運行 (R)。（稍後將對進程狀態進行更詳細的說明。）stime 顯示命令的開始時間，time 則顯示該進程占用了多少 CPU 時間。

進程從哪裡來？

在 UNIX 中，某些進程會從系統啟動到關機的時間裡一直運行，但大多數進程都會隨任務的開始和完成而迅速地出現和消失。有時，某個進程可能會“早夭“，甚至會“暴死”（比如在系統崩潰時）。新的進程是從哪裡來的呢？

每個新的 UNIX 進程都是某個現有進程的產物。另外，每個新進程（不妨將其稱為“子”進程）是對“父”進程的克隆體（至少有一瞬間是如此），直到“子”進程繼續獨立執行為止。（如果每個進程都是某個現有進程的後代，那麼不免會有一個疑問：“第一個進程是從哪裡來的？”請參閱下面的側欄以尋找答案。）

雞和蛋

某些爭論是經久不息的：生存還是毀滅？可口可樂還是百事可樂？PC 還是 Mac？當然，還有一個古老的悖論，“雞生蛋，還是蛋生雞？”

如果每個新的 UNIX 進程都是某個現有的、正在運行的進程的後代，那麼第一個進程是從哪裡來的？答案是：UNIX 內核在系統啟動序列中產生了第一個進程。

第一個進程被恰如其分地稱為 init，所有其他系統進程的親緣關系最終都可以追溯到init。實際上，init 的進程編號是1。如果您要查看 init 的狀態，可鍵入 ps -l 1：

F S UID PID PPID　C PRI　NI ADDR SZ WCHAN　TTY TIME CMD
4 S　 0　 1　　0　0　68　 0 -　 373 select ?　 0:02 init [2]
正如您所看到的，init 的所有者 (UID) 是 0 (root)。和系統中所有其他進程不同的是，init 沒有父進程，它的父進程 ID (PPID) 為 0。

圖 1-4 詳細說明了進程的產生過程：

在圖 2 和圖 3 中，進程 A （Process A），正在運行一個由藍色方框表示的程序。它運行編號為 10，11，12…的指令。進程 A 有屬於自己的數據、程序的副本、打開的文件集，以及自己的環境變量集，當進程 A 剛出現時，會對它們進行初次捕捉。
圖 2. 進程 A 運行代碼

在 UNIX 中，fork() 系統調用（之所以有這個名稱，是因為它是一個調用或請求，要求操作系統進行協助）被用來產生新的進程。當程序 A (Program A) 執行指令 13 (Instruction 13) fork() 時，系統會立即創建進程 A 的一個精確克隆版本，並將其命名為進程 Z (Process Z)。Z 具有和 A 相同的環境變量、相同的內存內容、相同的程序狀態，打開的文件也一樣。圖 3 顯示的是進程A 生成進程Z後，進程A 和Z 的狀態。
圖 3. 進程 A 生成自身的克隆體

起初，進程 Z 是從進程 A 停止的地方開始執行的。也就是說，此後進程 Z 從指令 14 (Instruction 14) 處開始執行。進程 A 會在同一指令位置繼續執行。

一般來說，指令 14 處的編程邏輯將測試當前的進程是子進程還是父進程，也就是說，進程 Z 和進程 A 中的指令 14 分別判定這兩個進程是否為其他進程的後代或祖先。為了以示區別，fork() 系統調用在子進程中返回 0，但返回給父進程的卻是進程 Z 的進程 ID。

在上次測試之後，進程A 和進程Z 會出現差異，每個進程會采用單獨的代碼路徑，就像路上出現岔道，每一個都會走上不同的分枝。生成一個新進程的流程更多地被稱為分叉，這就像兩位旅行者走到了路上的岔道。因此，系統調用被命名為 fork()。

在分叉之後，進程A 可能會繼續運行同一個應用程序。而進程 Z 則可能立即發生變化，轉到另一個應用程序。後一種操作會改變程序通過進程運行的內容，它被稱為執行，但您可以把它看成是一次再生過程：雖然進程 ID 不變，但進程內部的指令會被新程序的指令完全取代。圖 4 顯示的是稍後進程 Z 的狀態。

圖 4. 進程 Z 現在獨立於它的祖先，即進程 A

分叉

您可以在自己的命令行，很方便地體驗分叉操作。首先，打開一個新的 xterm。（您現在可能會認識到，xterm 就是它本身的進程，在 xterm 中，shell 是由 xterm 產生的一個獨立進程）。接下來，輸入： ps　-o pid,ppid,uname,command,state,stime,time
您應該會看到類似這樣的內容： 　PID　PPID USER　　 COMMAND　　　　　S STIME　　 TIME
16351 16350 mstreic　-bash　　　　　　S 11:23 00:00:00
16364 16351 mstreic　ps -o pid,ppid,u R 11:24 00:00:00

從該列表的 PPID 字段中，我們知道 ps 命令是 bash shell 的子進程。（-bash 中的連字符說明 shell 實例是一個登錄 shell。）為了運行 ps，bash 會分叉，創建一個新進程；新進程通過使用執行，使其本身得以重生，轉化為 ps 的一個新的實例。

這裡是另一個可供嘗試的實驗。鍵入： sleep 10 & sleep 10 & sleep 10 & ps　-o pid,ppid,uname,command,state,stime,time
您應該會看到類似這樣的內容： $ sleep 10 & sleep 10 & sleep 10 & ps　-o pid,ppid,uname,command,state,stime,time
PID　PPID USER　　 COMMAND　　　　　S STIME　　 TIME
16351 16350 mstreic　-bash　　　　　　S 11:23 00:00:00
16843 16351 mstreic　sleep 10　　　　 S 11:42 00:00:00
16844 16351 mstreic　sleep 10　　　　 S 11:42 00:00:00
16845 16351 mstreic　sleep 10　　　　 S 11:42 00:00:00
16846 16351 mstreic　ps -o pid,ppid,u R 11:42 00:00:00

命令行生成四個新進程。在每個 sleep 命令後鍵入 &，在後台運行每一個命令，或與 Shell 並行。 ps 是生成的另一個進程，但它是在前台運行的，可以防止 shell 在該進程終止之前運行其他命令。而且，如PPID的值所示，所有四個進程都是 Shell 的後代。三個sleep命令都被標為S，因為沒有哪個進程會在它們睡眠時使用資源。

為了方便起見，shell 會持續跟蹤它生成的所有後台進程。鍵入jobs，可以看到一個列表：

$ sleep 10 & sleep 10 & sleep 10 &
[1] 16843
[2] 16844
[3] 16845
$ jobs
[1]　 Running　　　　　　　　 sleep 10 &
[2]　 Running　　　　　　　　 sleep 10 &
[3]　 Running　　　　　　　　 sleep 10 &

此處，為了方便起見，三個工作分別用標簽標為 1，2 和 3。數字 16843、16844 和 16845 分別是每個進程的進程 ID。因此，後台任務 1 即為進程 ID 16843。

您可以利用這些標簽，從命令行操作您的後台工作。例如，如要終止某個命令，鍵入 kill %N ，其中 N 是該命令的標簽。如要將某個命令由後台移到前台，請鍵入 fg %N ：

$ sleep 10 & sleep 10 & sleep 10 &
[7] 17741
[8] 17742
[9] 17743
$ kill %7
$ jobs
[7]　 Terminated　　　　　　　sleep 10
[8]-　Running　　　　　　　　 sleep 10 &
[9]+　Running　　　　　　　　 sleep 10 &
$ fg %8
sleep 10

從命令行中同時異步運行多個命令，是處理您自己的任務集的好方法。一個長時間運行的工作（例如，系統管理的數值計算或大型程序的編譯）最適合放在後台。為了捕獲每個後台命令的輸出，請考慮使用重定向操作符 >、>&、>> 和 >>&，將輸入重定向到某個文件。當後台命令結束後，shell 會在下一個提示符之前顯示一條警告消息：

$ whoami
mstreicher
[8]-　Done　　　　　　　　　　sleep 10
[9]+　Done　　　　　　　　　　sleep 10
$

向遙遠的進程池前進

某些進程會一直存活（如 init），而某些進程會以新的形式重生（如您的 shell）。最終大多進程都會因自然原因（即程序運行結束）而消亡。

此外，您還可以將某個進程放在一個掛起的動作序列中，等待被再次激活。正如先前的示例所示，您可以用 kill 提前終止某個進程。

當某個命令在前台運行時，如果您希望將它掛起，請按 Ctrl + Z：

$ sleep 10
(Press Control-Z)
[1]+　Stopped　　　　　　　　 sleep 10
$ ps
PID　PPID USER　　 COMMAND　　　　　S STIME　　 TIME
18195 16351 mstreic　sleep 10　　　　 T 12:44 00:00:00

Shell 已將命令掛起，為了方便起見，還為它分配了一個標簽。您可以像先前那樣使用這個標簽，以終止工作或讓工作返回前台。您還可以使用 bg 命令在後台恢復這個進程：

bg %1
[1]+ sleep 10 &

當某個命令在前台運行時，如果您想終止它，請按 Ctrl + C：

$ sleep 10
(Press Control-C
$ jobs
$

您的 Shell 能使進程的掛起和終止變得更容易，但在 Shell 單純的外表下，卻隱藏著復雜的一面。在內部，Shell 使用 UNIX 信號來影響進程的狀態。信號是一個事件，它被用來向某個進程發出警報。操作系統生成許多信號，但您可以將信號從一個進程發送到另一個進程，甚至能讓某個進程給自己發送信號。

UNIX 包括多種信號，它們大多都有特殊目的。例如，如果您將信號 SIGSTOP 發送到某個進程，該進程將掛起。（要獲取信號的完整列表，請鍵入 man 7 signal 或鍵入 kill -L）。您可以用 kill 命令發送信號。

$ sleep 20 &
[1] 19988
$ kill -SIGSTOP 19988
$ jobs
[1]+　Stopped　　　　　　　　 sleep 20

起初，sleep 命令在後台啟動，其進程 ID 為 19988。在發送 SIGSTOP 之後，該進程會改變狀態，變為掛起或停止。發送另一個信號 SIGCONT，重新激活進程，該進程將從上次停止的地方繼續執行。

也就是說，每次您按 Ctrl + Z 時，您的 shell 將向前台發送 SIGSTOP 信號。bg 命令發送 SIGCONT。而 Ctrl + C 則會發送 SIGTERM，要求立即終止進程。

一些信號可以被某個進程阻塞，應用程序可以通過設計，顯式地“捕捉 (catch)”信號，並以一種特殊的方式對每個事件作出反應。例如，系統服務 xinetd 會按需要啟動其他網絡服務，它在收到 SIGHUP 時會重新讀取它的配置文件。在 Linux 中，向 init 發送信號，可能會改變系統的運行級別，甚至會導致系統關閉。.（這裡有一個問題：kill %1 和 kill 1 有什麼區別？

進程甚至可以給自己發送信號。想像一下，您正在編寫一個游戲，想留給用戶五秒鐘時間作出反應。您的代碼可以設置一個五秒鐘的定時器，接下來繼續進行重繪屏幕等操作。當定時器的時間耗盡後，將有一個 SIGALRM 信號被送回您的進程。呯！時間到！

（這裡提供了問題的答案：kill %1 會終止標簽為 1 的後台工作。kill 1 會終止 init，當必須關閉計算機時，將向操作系統發送這個信號。）

在特殊情況下，操作系統還可以將一些其他信號傳送給進程。內存違例會引發 SIGSEGV 信號，立即終止進程，並留下一個內核轉儲。有一個特殊的信號 SIGKILL 是無法被阻塞或捕捉的，它會立即終止某個進程。

和 UNIX 中許多其他資源一樣，您只能向您擁有的進程發送信號。這可以防止您終止重要的系統服務和其他用戶的進程。超級用戶 root 可以向任何進程發送信號。

更多魔法揭密

UNIX 有許多可活動的部分。它有系統服務、設備、內存管理器等等。好在這些復雜的花樣大都被隱藏起來，不會被看到，或可以通過用戶界面（如 shell 或窗口工具）很方便地使用。更妙的是，如果您想深入探究，隨時都可以使用 top, ps 和 kill 等專用工具。

現在您已經知道了進程的工作原理，可以組成自己的單人樂隊了。只有一個要求：成為一只自由自在的飛鳥！