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Build_your_own_pstree

m1ca 收录于 build_your_own

2023-09-18 约 2366 字预计阅读 5 分钟

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1. 前言

学了这么久的计算机, 却没有什么实际产出. 并且不是很愿意搞开发, 正好这学期上操作系统课, 于是就有了 build_your_own 系列的想法. 又恰好, 在早八的马原课~~由于二进制的随机排列组合~~, 我写下了 pstree. 于是这个系列我们从 pstree 开始.

2. pstree

pstree 是一个 Linux 下的命令行工具, 用于显示进程树. 完整的 pstree 功能还是很多的, 我这里选择了简单的 -p 参数版本实现.

> pstree -p

显示进程树, 并显示进程的 PID.

figure-1 pstree_in_kernel — figure-1 pstree_in_kernel

3. 实现

3.1. 结构体定义

首先我们要定义一个进程树的结构体, 用于存储进程的信息.

我采用的是链表的形式存储进程树, 一个进程的子进程通过 child 指针指向, 兄弟进程通过 next 指针指向.

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typedef struct node {
  __pid_t pid;
  char *name;
  __pid_t ppid;
  struct node *next;
  struct node *child;
} node;

然后整个进程树通过一个数组存储, 数组的下标为进程的 PID. 最大值为内核定义的最大 PID, 这个值定义在 /proc/sys/kernel/pid_max, 需要注意的是在不同的内核版本中可能不同. 例如在较早的内核版本中, 这个值为 32768.

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// MAX PID defined in /proc/sys/kernel/pid_max
#define MAX 4194304
node *Tree[MAX] = {NULL};

3.2. 从内核获取进程信息

首先我们要介绍 /proc 目录.

/proc 目录是 Linux 系统中的一个特殊目录, 它提供了对运行中进程和系统内核的访问. 它是一个虚拟文件系统, 其中的文件和目录并不在磁盘上实际存在, 而是由内核在运行时动态生成的. /proc 目录下的文件和目录提供了对系统状态和进程信息的实时访问.

于是通过对 /proc 目录的访问, 遍历目录下的所有数字目录, 即可获取系统当前状态的所有进程.

func: make_tree 用于遍历 /proc 目录, 并获取所有进程的信息.

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void make_tree(node *Tree[]) {
  Tree[0] = (node *)malloc(sizeof(node));
  Tree[0]->name = (char *)malloc(sizeof(char) * 40);
  strcpy(Tree[0]->name, "root");
  DIR *dp = opendir("/proc");
  if (!dp) {
    fprintf(stderr, "%s", "Can 't open /proc/");
    exit(1);
  }
  struct dirent *entry;
  while ((entry = readdir(dp)) != NULL) {
    __pid_t pid = atoi(entry->d_name);
    read_status(pid, Tree);
  }
}

插播和本次实现没啥关系的小 tips, /proc/self 是一个软链接, 指向当前进程的信息. 可以轻易的获取到当前进程的信息.

3.3. 从内核获取进程树

然后介绍 /proc/[pid]/stat 文件, 这一文件保存了进程的状态信息.

/proc/[pid]/stat 文件的内容如下:

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pid：进程ID
comm：进程的命令名
state：进程的状态
ppid：父进程的进程ID
pgrp：进程组的进程ID
session：会话的进程ID
tty_nr：与进程关联的终端设备号
tpgid：进程所属的前台进程组ID
flags：进程的标志位
minflt：不需要从磁盘加载页面的次数（次缺页错误）
cminflt：在进程的子进程中不需要从磁盘加载页面的次数（次缺页错误）
majflt：需要从磁盘加载页面的次数（主缺页错误）
cmajflt：在进程的子进程中需要从磁盘加载页面的次数（主缺页错误）
utime：进程在用户态运行的时间（时钟滴答数）
stime：进程在内核态运行的时间（时钟滴答数）
cutime：进程的所有已死亡的子进程在用户态运行的时间（时钟滴答数）
cstime：进程的所有已死亡的子进程在内核态运行的时间（时钟滴答数）
priority：进程的调度优先级
nice：进程的静态优先级
num_threads：进程所拥有的线程数
itrealvalue：下一个计时器中的值
starttime：进程启动时的时钟滴答数
vsize：虚拟内存大小（字节）
rss：常驻内存集大小（页面数）
rsslim：进程的常驻内存集大小的限制（字节）
startcode：可执行代码的起始地址
endcode：可执行代码的结束地址
startstack：栈的起始地址
kstkesp：当前栈指针（ESP）
kstkeip：当前指令指针（EIP）
signal：挂起的信号位图
blocked：阻塞的信号位图
sigignore：忽略的信号位图
sigcatch：捕获的信号位图
wchan：进程正在等待的地址
nswap：交换出的页面数
cnswap：在进程的子进程中交换出的页面数
exit_signal：进程终止时发送给父进程的信号
processor：执行进程的处理器ID
rt_priority：实时优先级
policy：调度策略
delayacct_blkio_ticks：块IO延迟账户时钟滴答数
guest_time：虚拟CPU时间（以时钟滴答数为单位）
cguest_time：在进程的子进程中的虚拟CPU时间（以时钟滴答数为单位）
start_data：数据段的起始地址
end_data：数据段的结束地址
start_brk：堆的起始地址
arg_start：命令行参数的起始地址
arg_end：命令行参数的结束地址
env_start：环境变量的起始地址
env_end：环境变量的结束地址
exit_code：进程的退出状态

本次实现我们只需要获取进程的父进程 PID 和进程名. 通过读取 /proc/[pid]/stat 文件即可.

为了构建进程树, 我们需要递归的获取父进程的信息直到父进程为 0, 即 root 进程. 然后为了防止重复遍历, 我们检验了指针是否为空.

func: read_status 用于获取进程的信息, 并递归的获取父进程的信息.

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void read_status(__pid_t pid, node *Tree[]) {
  if (Tree[pid] != NULL) {
    return;
  }
  Tree[pid] = (node *)malloc(sizeof(node));
  Tree[pid]->name = (char *)malloc(sizeof(char) * 40);
  char *processpath = (char *)malloc(sizeof(char) * 20);
  sprintf(processpath, "/proc/%d/stat", pid);
  FILE *fp = fopen(processpath, "r");
  if (fp == NULL) {
    fprintf(stderr, "Can 't open %s\n", processpath);
    free(processpath);
    exit(1);
  }
  char i;
  __pid_t _pid, ppid;
  char pname[40];
  fscanf(fp, "%d (%s %c %d", &_pid, pname, &i, &ppid);
  pname[strlen(pname) - 1] = '\0';
  strcpy(Tree[pid]->name, pname);
  assert(pid == _pid);
  Tree[pid]->pid = pid;
  Tree[pid]->ppid = ppid;
  fclose(fp);
  free(processpath);

  read_status(ppid, Tree);
  if (Tree[ppid]->child == NULL) {
    Tree[ppid]->child = Tree[pid];
  } else {
    node *bro = Tree[ppid]->child;
    while (bro->next != NULL) {
      bro = bro->next;
    }
    bro->next = Tree[pid];
  }
}

3.4. 打印进程树

打印进程树则比较简单, 进行一个记录深度的 DFS 即可. 为了美观, 我们使用了制表符 └─ 和 ├─ 进行分割. 并因此需要记录当前进程是否为父进程的最后一个子进程. 判断方法是 Tree[child->pid]->next == NULL.

func: print_tree 用于打印进程树.

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void print_tree(node *Tree[], int pid, int depth, int last_child) {
  for (int i = 0; i < depth; i++) {
    if (i == depth - 1) {
      if (last_child) {
        printf("└─");
      } else {
        printf("├─");
      }
    } else {
      printf("│  ");
    }
  }
  printf("%s (%d)\n", Tree[pid]->name, pid);
  node *child = Tree[pid]->child;
  while (child != NULL) {
    print_tree(Tree, child->pid, depth + 1, Tree[child->pid]->next == NULL);
    child = child->next;
  }
}

3.5. 运行结果

不要忘记释放内存喵.

figure-2 mypstree — figure-2 mypstree

4. 总结

build_your_own 系列的第一篇就到这里了. 这次实现比较简单, 希望能坚持下去不要咕咕咕 (逃