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# 10 | 进程：公司接这么多项目，如何管？
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有了系统调用，咱们公司就能开始批量接项目啦！对应到Linux操作系统，就是可以创建进程了。
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在[命令行](https://time.geekbang.org/column/article/88761)那一节，我们讲了使用命令创建Linux进程的几种方式。现在学习了系统调用，你是不是想尝试一下，如何通过写代码使用系统调用创建一个进程呢？我们一起来看看。
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## 写代码：用系统调用创建进程
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在Linux上写程序和编译程序，也需要一系列的开发套件，就像Visual Studio一样。运行下面的命令，就可以在centOS 7操作系统上安装开发套件。在以后的章节里面，我们的实验都是基于centOS 7操作系统进行的。
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```
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yum -y groupinstall "Development Tools"
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```
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接下来，我们要开始写程序了。在Windows上写的程序，都会被保存成.h或者.c文件，容易让人感觉这是某种有特殊格式的文件，但其实这些文件只是普普通通的文本文件。因而在Linux上，我们用Vim来创建并编辑一个文件就行了。
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我们先来创建一个文件，里面用一个函数封装通用的创建进程的逻辑，名字叫process.c，代码如下：
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <sys/types.h>
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#include <unistd.h>
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extern int create_process (char* program, char** arg_list);
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int create_process (char* program, char** arg_list)
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{
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pid_t child_pid;
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child_pid = fork ();
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if (child_pid != 0)
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return child_pid;
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else {
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execvp (program, arg_list);
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abort ();
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}
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}
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```
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这里面用到了咱们学过的fork系统调用，通过这里面的if-else，我们可以看到，根据fork的返回值不同，父进程和子进程就此分道扬镳了。在子进程里面，我们需要通过execvp运行一个新的程序。
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接下来我们创建第二个文件，调用上面这个函数。
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```
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <sys/types.h>
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#include <unistd.h>
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extern int create_process (char* program, char** arg_list);
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int main ()
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{
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char* arg_list[] = {
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"ls",
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"-l",
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"/etc/yum.repos.d/",
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NULL
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};
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create_process ("ls", arg_list);
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return 0;
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}
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```
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在这里，我们创建的子程序运行了一个最最简单的命令ls。学过命令行的那一节之后，这里你应该很熟悉了。
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## 进行编译：程序的二进制格式
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程序写完了，是不是很简单？你可能要问了，这是不是就是我们所谓的项目执行计划书了呢？当然不是了，这两个文件只是文本文件，CPU是不能执行文本文件里面的指令的，这些指令只有人能看懂，CPU能够执行的命令是二进制的，比如“0101”这种，所以这些指令还需要翻译一下，这个翻译的过程就是**编译**（Compile）。编译好的二进制文件才是项目执行计划书。
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现在咱们是正规的公司了，接项目要有章法，项目执行计划书也要有统一的格式，这样才能保证无论项目交到哪个项目组手里，都能以固定的流程执行。按照里面的指令来，项目也能达到预期的效果。
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在Linux下面，二进制的程序也要有严格的格式，这个格式我们称为**ELF**（Executeable and Linkable Format，可执行与可链接格式）。这个格式可以根据编译的结果不同，分为不同的格式。
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接下来我们看一下，如何从文本文件编译成二进制格式。
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在上面两段代码中，上面include的部分是头文件，而我们写的这个.c结尾的是源文件。
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接下来我们编译这两个程序。
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gcc -c -fPIC process.c
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gcc -c -fPIC createprocess.c
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在编译的时候，先做预处理工作，例如将头文件嵌入到正文中，将定义的宏展开，然后就是真正的编译过程，最终编译成为.o文件，这就是ELF的第一种类型，**可重定位文件**（Relocatable File）。
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这个文件的格式是这样的：
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ELF文件的头是用于描述整个文件的。这个文件格式在内核中有定义，分别为struct elf32\_hdr和struct elf64\_hdr。
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接下来我们来看一个一个的section，我们也叫**节**。这里面的名字有点晦涩，不过你可以猜一下它们是干什么的。
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这个编译好的二进制文件里面，应该是代码，还有一些全局变量、静态变量等等。没错，我们依次来看。
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* .text：放编译好的二进制可执行代码
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* .data：已经初始化好的全局变量
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* .rodata：只读数据，例如字符串常量、const的变量
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* .bss：未初始化全局变量，运行时会置0
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* .symtab：符号表，记录的则是函数和变量
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* .strtab：字符串表、字符串常量和变量名
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为啥这里只有全局变量呢？其实前面我们讲函数栈的时候说过，局部变量是放在栈里面的，是程序运行过程中随时分配空间，随时释放的，现在我们讨论的是二进制文件，还没启动呢，所以只需要讨论在哪里保存全局变量。
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这些节的元数据信息也需要有一个地方保存，就是最后的节头部表（Section Header Table）。在这个表里面，每一个section都有一项，在代码里面也有定义struct elf32\_shdr和struct elf64\_shdr。在ELF的头里面，有描述这个文件的节头部表的位置，有多少个表项等等信息。
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我们刚才说了可重定位，为啥叫**可重定位**呢？我们可以想象一下，这个编译好的代码和变量，将来加载到内存里面的时候，都是要加载到一定位置的。比如说，调用一个函数，其实就是跳到这个函数所在的代码位置执行；再比如修改一个全局变量，也是要到变量的位置那里去修改。但是现在这个时候，还是.o文件，不是一个可以直接运行的程序，这里面只是部分代码片段。
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例如这里的create\_process函数，将来被谁调用，在哪里调用都不清楚，就更别提确定位置了。所以，.o里面的位置是不确定的，但是必须是可重新定位的，因为它将来是要做函数库的嘛，就是一块砖，哪里需要哪里搬，搬到哪里就重新定位这些代码、变量的位置。
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有的section，例如.rel.text, .rel.data就与重定位有关。例如这里的createprocess.o，里面调用了create\_process函数，但是这个函数在另外一个.o里面，因而createprocess.o里面根本不可能知道被调用函数的位置，所以只好在rel.text里面标注，这个函数是需要重定位的。
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要想让create\_process这个函数作为库文件被重用，不能以.o的形式存在，而是要形成库文件，最简单的类型是静态链接库.a文件（Archives），仅仅将一系列对象文件（.o）归档为一个文件，使用命令ar创建。
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```
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ar cr libstaticprocess.a process.o
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```
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虽然这里libstaticprocess.a里面只有一个.o，但是实际情况可以有多个.o。当有程序要使用这个静态连接库的时候，会将.o文件提取出来，链接到程序中。
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```
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gcc -o staticcreateprocess createprocess.o -L. -lstaticprocess
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```
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在这个命令里，-L表示在当前目录下找.a文件，-lstaticprocess会自动补全文件名，比如加前缀lib，后缀.a，变成libstaticprocess.a，找到这个.a文件后，将里面的process.o取出来，和createprocess.o做一个链接，形成二进制执行文件staticcreateprocess。
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这个链接的过程，重定位就起作用了，原来createprocess.o里面调用了create\_process函数，但是不能确定位置，现在将process.o合并了进来，就知道位置了。
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形成的二进制文件叫**可执行文件**，是ELF的第二种格式，格式如下：
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这个格式和.o文件大致相似，还是分成一个个的section，并且被节头表描述。只不过这些section是多个.o文件合并过的。但是这个时候，这个文件已经是马上就可以加载到内存里面执行的文件了，因而这些section被分成了需要加载到内存里面的代码段、数据段和不需要加载到内存里面的部分，将小的section合成了大的段segment，并且在最前面加一个段头表（Segment Header Table）。在代码里面的定义为struct elf32\_phdr和struct elf64\_phdr，这里面除了有对于段的描述之外，最重要的是p\_vaddr，这个是这个段加载到内存的虚拟地址。
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在ELF头里面，有一项e\_entry，也是个虚拟地址，是这个程序运行的入口。
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当程序运行起来之后，就是下面这个样子：
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```
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# ./staticcreateprocess
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# total 40
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-rw-r--r--. 1 root root 1572 Oct 24 18:38 CentOS-Base.repo
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......
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```
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静态链接库一旦链接进去，代码和变量的section都合并了，因而程序运行的时候，就不依赖于这个库是否存在。但是这样有一个缺点，就是相同的代码段，如果被多个程序使用的话，在内存里面就有多份，而且一旦静态链接库更新了，如果二进制执行文件不重新编译，也不随着更新。
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因而就出现了另一种，**动态链接库**（Shared Libraries），不仅仅是一组对象文件的简单归档，而是多个对象文件的重新组合，可被多个程序共享。
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```
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gcc -shared -fPIC -o libdynamicprocess.so process.o
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```
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当一个动态链接库被链接到一个程序文件中的时候，最后的程序文件并不包括动态链接库中的代码，而仅仅包括对动态链接库的引用，并且不保存动态链接库的全路径，仅仅保存动态链接库的名称。
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```
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gcc -o dynamiccreateprocess createprocess.o -L. -ldynamicprocess
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```
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当运行这个程序的时候，首先寻找动态链接库，然后加载它。默认情况下，系统在/lib和/usr/lib文件夹下寻找动态链接库。如果找不到就会报错，我们可以设定LD\_LIBRARY\_PATH环境变量，程序运行时会在此环境变量指定的文件夹下寻找动态链接库。
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```
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# export LD_LIBRARY_PATH=.
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# ./dynamiccreateprocess
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# total 40
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-rw-r--r--. 1 root root 1572 Oct 24 18:38 CentOS-Base.repo
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......
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```
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动态链接库，就是ELF的第三种类型，**共享对象文件**（Shared Object）。
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基于动态链接库创建出来的二进制文件格式还是ELF，但是稍有不同。
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首先，多了一个.interp的Segment，这里面是ld-linux.so，这是动态链接器，也就是说，运行时的链接动作都是它做的。
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另外，ELF文件中还多了两个section，一个是.plt，过程链接表（Procedure Linkage Table，PLT），一个是.got.plt，全局偏移量表（Global Offset Table，GOT）。
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它们是怎么工作的，使得程序运行的时候，可以将so文件动态链接到进程空间的呢？
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dynamiccreateprocess这个程序要调用libdynamicprocess.so里的create\_process函数。由于是运行时才去找，编译的时候，压根不知道这个函数在哪里，所以就在PLT里面建立一项PLT\[x\]。这一项也是一些代码，有点像一个本地的代理，在二进制程序里面，不直接调用create\_process函数，而是调用PLT\[x\]里面的代理代码，这个代理代码会在运行的时候找真正的create\_process函数。
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去哪里找代理代码呢？这就用到了GOT，这里面也会为create\_process函数创建一项GOT\[y\]。这一项是运行时create\_process函数在内存中真正的地址。
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如果这个地址在dynamiccreateprocess调用PLT\[x\]里面的代理代码，代理代码调用GOT表中对应项GOT\[y\]，调用的就是加载到内存中的libdynamicprocess.so里面的create\_process函数了。
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但是GOT怎么知道的呢？对于create\_process函数，GOT一开始就会创建一项GOT\[y\]，但是这里面没有真正的地址，因为它也不知道，但是它有办法，它又回调PLT，告诉它，你里面的代理代码来找我要create\_process函数的真实地址，我不知道，你想想办法吧。
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PLT这个时候会转而调用PLT\[0\]，也即第一项，PLT\[0\]转而调用GOT\[2\]，这里面是ld-linux.so的入口函数，这个函数会找到加载到内存中的libdynamicprocess.so里面的create\_process函数的地址，然后把这个地址放在GOT\[y\]里面。下次，PLT\[x\]的代理函数就能够直接调用了。
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这个过程有点绕，但是是不是也很巧妙？
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## 运行程序为进程
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知道了ELF这个格式，这个时候它还是个程序，那怎么把这个文件加载到内存里面呢？
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在内核中，有这样一个数据结构，用来定义加载二进制文件的方法。
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struct linux_binfmt {
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struct list_head lh;
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struct module *module;
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int (*load_binary)(struct linux_binprm *);
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int (*load_shlib)(struct file *);
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int (*core_dump)(struct coredump_params *cprm);
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unsigned long min_coredump; /* minimal dump size */
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} __randomize_layout;
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对于ELF文件格式，有对应的实现。
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static struct linux_binfmt elf_format = {
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.module = THIS_MODULE,
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.load_binary = load_elf_binary,
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.load_shlib = load_elf_library,
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.core_dump = elf_core_dump,
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.min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE,
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};
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```
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load\_elf\_binary是不是你很熟悉？没错，我们加载内核镜像的时候，用的也是这种格式。
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还记得当时是谁调用的load\_elf\_binary函数吗？具体是这样的：do\_execve->do\_execveat\_common->exec\_binprm->search\_binary\_handler。
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那do\_execve又是被谁调用的呢？我们看下面的代码。
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SYSCALL_DEFINE3(execve,
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const char __user *, filename,
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const char __user *const __user *, argv,
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const char __user *const __user *, envp)
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{
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return do_execve(getname(filename), argv, envp);
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}
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```
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学过了系统调用一节，你会发现，原理是exec这个系统调用最终调用的load\_elf\_binary。
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exec比较特殊，它是一组函数：
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* 包含p的函数（execvp, execlp）会在PATH路径下面寻找程序；
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* 不包含p的函数需要输入程序的全路径；
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* 包含v的函数（execv, execvp, execve）以数组的形式接收参数；
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* 包含l的函数（execl, execlp, execle）以列表的形式接收参数；
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* 包含e的函数（execve, execle）以数组的形式接收环境变量。
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在上面process.c的代码中，我们创建ls进程，也是通过exec。
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## 进程树
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既然所有的进程都是从父进程fork过来的，那总归有一个祖宗进程，这就是咱们系统启动的init进程。
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在解析Linux的启动过程的时候，1号进程是/sbin/init。如果在centOS 7里面，我们ls一下，可以看到，这个进程是被软链接到systemd的。
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/sbin/init -> ../lib/systemd/systemd
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系统启动之后，init进程会启动很多的daemon进程，为系统运行提供服务，然后就是启动getty，让用户登录，登录后运行shell，用户启动的进程都是通过shell运行的，从而形成了一棵进程树。
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我们可以通过ps -ef命令查看当前系统启动的进程，我们会发现有三类进程。
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[root@deployer ~]# ps -ef
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UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD
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root 1 0 0 2018 ? 00:00:29 /usr/lib/systemd/systemd --system --deserialize 21
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root 2 0 0 2018 ? 00:00:00 [kthreadd]
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root 3 2 0 2018 ? 00:00:00 [ksoftirqd/0]
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root 5 2 0 2018 ? 00:00:00 [kworker/0:0H]
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root 9 2 0 2018 ? 00:00:40 [rcu_sched]
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......
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root 337 2 0 2018 ? 00:00:01 [kworker/3:1H]
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root 380 1 0 2018 ? 00:00:00 /usr/lib/systemd/systemd-udevd
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root 415 1 0 2018 ? 00:00:01 /sbin/auditd
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root 498 1 0 2018 ? 00:00:03 /usr/lib/systemd/systemd-logind
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......
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root 852 1 0 2018 ? 00:06:25 /usr/sbin/rsyslogd -n
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root 2580 1 0 2018 ? 00:00:00 /usr/sbin/sshd -D
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root 29058 2 0 Jan03 ? 00:00:01 [kworker/1:2]
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root 29672 2 0 Jan04 ? 00:00:09 [kworker/2:1]
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root 30467 1 0 Jan06 ? 00:00:00 /usr/sbin/crond -n
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root 31574 2 0 Jan08 ? 00:00:01 [kworker/u128:2]
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......
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root 32792 2580 0 Jan10 ? 00:00:00 sshd: root@pts/0
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root 32794 32792 0 Jan10 pts/0 00:00:00 -bash
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root 32901 32794 0 00:01 pts/0 00:00:00 ps -ef
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你会发现，PID 1的进程就是我们的init进程systemd，PID 2的进程是内核线程kthreadd，这两个我们在内核启动的时候都见过。其中用户态的不带中括号，内核态的带中括号。
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接下来进程号依次增大，但是你会看所有带中括号的内核态的进程，祖先都是2号进程。而用户态的进程，祖先都是1号进程。tty那一列，是问号的，说明不是前台启动的，一般都是后台的服务。
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pts的父进程是sshd，bash的父进程是pts，ps -ef这个命令的父进程是bash。这样整个链条都比较清晰了。
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## 总结时刻
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这一节我们讲了一个进程从代码到二进制到运行时的一个过程，我们用一个图总结一下。
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我们首先通过图右边的文件编译过程，生成so文件和可执行文件，放在硬盘上。下图左边的用户态的进程A执行fork，创建进程B，在进程B的处理逻辑中，执行exec系列系统调用。这个系统调用会通过load\_elf\_binary方法，将刚才生成的可执行文件，加载到进程B的内存中执行。
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## 课堂练习
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对于ELF，有几个工具能帮你看这些文件的格式。readelf工具用于分析ELF的信息，objdump工具用来显示二进制文件的信息，hexdump工具用来查看文件的十六进制编码，nm 工具用来显示关于指定文件中符号的信息。你可以尝试用这几个工具，来解析这一节生成的.o, .so 和可执行文件。
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欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。
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