現(xiàn)代計算機是一個非常復(fù)雜的創(chuàng)造物，經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展演變成現(xiàn)在的狀態(tài)。有時它看起來像是黑魔法。這里面沒有魔法，只有科學(xué)。然而，一些像 Alan Turing，Charles Babbage，Ada Lovelace，John von Neumann 和許多其他人的頭腦是不可思議的，因為他們使計算機成為可能。

現(xiàn)在，讓我們深入學(xué)習(xí)系統(tǒng)編程的基礎(chǔ)知識：

• 進程是什么？
• 它們是如何創(chuàng)建和執(zhí)行的？
• 查看 Rust 中的一些代碼示例，并將它們與 C 進行比較

在開始編寫代碼之前，我們將從操作系統(tǒng)主要組件的最底層開始構(gòu)建。如圖 1 所示——任何計算機的最低級別是 Hardware，其次是運行在裸機上的 Kernel 模式。這就是像 Linux 這樣的操作系統(tǒng)所在的位置。

在內(nèi)核模式之上，我們有一個用戶模式。為了使用戶能夠與內(nèi)核交互并使用其他更高級別的軟件，如網(wǎng)頁瀏覽器、電子郵件閱讀器等，它需要一個用戶界面程序。這可以是一個窗口，圖形用戶界面，也可以是一個 Shell，它是一個解釋命令的命令，用于從終端讀取命令并執(zhí)行它們。

進程：父和子

所有操作系統(tǒng)的主要概念是進程。一個進程基本上是一個正在運行的程序。你可以把它想象成一個抽屜，里面包含有關(guān)這個特定程序的所有信息。有些進程在計算機啟動時開始運行，有些在后臺運行，有些由用戶通過 Shell 調(diào)用和交互。

所有進程都有一個 id。當系統(tǒng)啟動時，將啟動第一個進程。這個進程的 id 為1，稱為 init。在此之后，init 將調(diào)用其他進程等等。當我們在 shell 中鍵入一個命令供 OS 執(zhí)行時，系統(tǒng)應(yīng)該創(chuàng)建一個新的進程來運行編譯器。當進程完成編譯后，它將進行一個系統(tǒng)調(diào)用來終止自己。

在 UNIX 系統(tǒng)中，每個新進程都是某個父進程的子進程。進程創(chuàng)建是通過克隆父進程來完成的，這被稱為 forking （圖1-b）。每個進程有一個父進程，但可以有多個子進程。進程的結(jié)構(gòu)類似于樹，其中 init 是根，這意味著它位于層次結(jié)構(gòu)的頂部。

在進程創(chuàng)建之后，除了父進程有一個非 0 ID 號，子進程的 ID 等于 0 外，其他方面父進程和子進程是相同的。接下來，系統(tǒng)用一個新程序替換子進程的執(zhí)行。當進程完成其目的時，它將正常地終止并退出（自愿的）。該進程也可以由于一個錯誤退出或殺死另一個進程（非自愿）。

該系統(tǒng)還跟蹤所有的進程，將它們的數(shù)據(jù)保存在所謂的進程表中。它包含諸如進程 id、進程所有者、進程優(yōu)先級、每個進程的環(huán)境變量、父進程等信息。除此之外，它還保存特定進程處于何種狀態(tài)的信息。每個進程可以處于以下四種狀態(tài)之一:

• RUNNABLE — 進程正在運行/主動使用 CPU
• SLEEPING — 該進程是可運行的，但是正在等待另一個進程先停止/完成
• STOPPED — 此狀態(tài)表示進程已暫停以便進一步運行。它可以通過信號重新啟動再次運行
• ZOMBIE — 當調(diào)用 “system exit” 或其他人終止進程時，進程將終止。但是，該進程尚未從進程表中刪除

通常進程必須相互交互，并且可以改變狀態(tài)，從 Running 到 Sleeping，然后回到 Running （圖1-c）。這通常由 SIGSTOP 信號完成，該信號由 Ctrl + Z 發(fā)出（我們將在接下來的部分中深入討論信號）。與停止的進程一樣，它可以重新啟動。一旦被殺死進入 Zombie 狀態(tài)就不能重新啟動或繼續(xù)。

C VS Rust

在 C 語言中（這是目前 Linux 內(nèi)核編程語言），進程創(chuàng)建首先通過 fork 新進程來完成，然后顯式地要求系統(tǒng)在子進程上執(zhí)行一個新指令。如果我們不這樣做，父進程和子進程將執(zhí)行相同的指令。下面是執(zhí)行 ls 命令的一個例子，它列出了給定目錄的文件：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    pid_t pid;
    switch (pid = fork()) {
        case -1:
            perror("fork failed");
            break;
        case 0:
            printf("I'm child process and I will execute ls command");
            char *argv_list[] = {NULL};
            if (execv("ls", argv_list) == -1) {
                perror("Error in execve");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            break;
        default:
            printf("I'm parent process and I'll just print this");
        }
        
    return 0;
}

正如你所看到的，我們必須手動管理進程，并監(jiān)控執(zhí)行是否成功。此外，我們還必須處理錯誤。如果我們希望一個命令只能由一個子進程執(zhí)行，那么我們必須手動檢查當前進程是否是一個子進程，這是按照 case 0 來完成的。在 Rust 中，標準庫的進程模塊^[1]也可以做到這一點：

use std::process::Command;

fn main() {
    let child = Command::new("ls")
                .env("PATH", "/bin")
                .output()
                .expect("failed to execute process");
    
    // if no error, program will continue..
}

這里的 Command::new() 是一個進程構(gòu)建器，負責(zé)生成和處理子進程。就像在 C 代碼中一樣，我們提供要執(zhí)行的命令、環(huán)境變量、命令參數(shù)和調(diào)用輸出方法。輸出將以子進程的形式執(zhí)行該命令，等待它完成，并返回收集到的輸出。

除了 output() 之外，我們還可以使用 status() 或 spawn()。這些方法中的每一個都負責(zé) fork 一個具有細微差異的子進程：

• output() ：只有在子進程完成運行后，才運行程序并返回 Output 的結(jié)果；
• status()：將運行程序并在進程編譯后返回 ExitStatus 結(jié)果。這允許檢查編譯程序的狀態(tài)；
• spawn()：將運行程序并返回結(jié)果，該結(jié)果是一個子進程。這不需要等待程序編譯。該選項允許 wait 和 kill 指令，或者我們可以獲得該進程的 ID。

在這里，env() 是可選的，因為 Command 非常聰明，可以查找 /bin 文件夾的路徑。最后，所有的錯誤處理都由 expect() 完成。如果 Ok 表示程序成功執(zhí)行或者  Err 表示出現(xiàn)錯誤，進而 panic!）。如果遇到 Err，希望程序不要終止，可以這樣做：

use std::process::Command;

main() {
    let user_input = get_user_input(); // helper function to get user input
    if let Err(_) = Command::new(&user_input)
                            .envs("PATH", "/bin")
                            .status() {
        println!("{}: command not found!", &cmd);
    }
    // the rest of the program...
}

這里的 status() 更方便，如果用戶提供合法命令并執(zhí)行，則調(diào)用它將返回 Ok。但我們只對提供不可用命令時的處理感興趣。這就是為什么我們只檢查 Err 是否返回，如果返回，則在終端中打印 “command was not found” 并繼續(xù)當前程序執(zhí)行，而不是終止。

最后，spawn() 用于管理多個子進程和父進程之間的執(zhí)行順序。它包含 stdin stdout 和 stderr 字段，并且具有 c 程序員所熟悉的 wait() , kill() 和 id() 方法。我們將在下一部分中看到進程的這一部分，當兩個或多個線程可以訪問共享數(shù)據(jù)并且它們試圖同時更改這些數(shù)據(jù)時，我們還將看到 Rust 是如何處理競態(tài)條件的。

總結(jié)

在這個介紹性的部分中，我們回顧了什么是進程，它們是如何創(chuàng)建的，并將 Rust 對進程創(chuàng)建和命令執(zhí)行的實現(xiàn)與 C 進行了比較。我們看到，Rust 代碼不僅不容易出現(xiàn)人為錯誤，而且不那么冗長，很簡潔。在接下來的部分中，我們將介紹如何管理進程執(zhí)行時間和狀態(tài)，以及處理系統(tǒng)信號。

原文鏈接：https://www.bexxmodd.com/post/systems-programming-with-rust-1

參考資料