获取fork+exec启动的程序的PID值

问题背景

    业务中有个场景需要自动起一个A程序（由于A程序与 sublime_text 启动后遇到的问题有相似之处，后文就用 sublime_text 来替代A程序，当A程序与 sublime_text 的现象有所差异的时候，恢复使用 A 程序），并在适当的场景下杀死它，自然而然想到 fork + exec 的方式来启动它。但是启动后，在获取程序 pid 的时候却遇到了一点问题。以下是启动的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int create_process(char *name, char *argv[])
{
    int pid = fork();
    if (0 == pid)
    {
        execv(name, argv);
        exit(127);
    }
    else if (0 < pid)
    {
        return pid;
    }else
    {
        return -1;
    }
}

int main()
{
    
    char *name = "/opt/sublime_text/sublime_text";
    char *argv[] = {"/opt/sublime_text/sublime_text", (char *)0};

    int pid = create_process(name, argv);
    printf("pid = %d
",pid);

    return 0;
}

程序执行结果如下，从下图我们可以清晰的看到通过 fork + exec 启动的程序的 pid 与最后通过 ps进程查看器查询得到的 pid 是不一致的。

尽管它们的 pid 值只差了1，但是这个结果还是让我感到非常疑惑。

问题分析

    一般的，在子进程中使用 exec 函数并不会改变子进程的 pid 值，而得到的结果确确实实改变了。一开始怀疑是与 pid 的分配方式有关，因为多次得到的结果其 pid 都只差1（有兴趣的可以自行了解 pid 位图分配策略），但没有太多的信息进行佐证，最后怀疑是要启动的程序的问题。
    通过strace来跟踪 sublime_text 进程中的系统调用：

从上面的结果我们可以看出，sublime_text 的真实 pid 与 strace得到的结果中 clone 一行的结果相对应。从这个信息中，我们可以发现 sublime_text 内部通过 clone 自己创建了一个子进程来启动程序。因此推测通过 fork 得到的子进程在完成自己的任务后就退出了，启动程序的事情交给了 sublime_text 内部通过 clone 起的子进程去做。

问题解决

    从上面的问题分析得知，sublime_text 真实的 pid 是 clone 创建的子进程的 pid，而这个 clone 创建的子进程是 sublime_text 内部启动的。那么如何获取启动的程序的 pid 呢。一开始想到方法如下：在启动程序A之前，记录下环境中已启动的程序A的 pid，然后启动 count 个A程序，扣除掉之前记录的就是现在启动的（sublime_text 启动多次只有一个程序实例，而 A 程序启动多次有多个程序实例，因此此处恢复为A程序的描述）；但是这种方法存在极小概率会出错，环境并不是只有一个用户，也就是我在记录完环境中已有的程序A的 pid 后，启动 n 个程序A，此时如果有另一个用户也起了 m 个程序A，那么我就会认为这 n + m 个A程序都是我起的，后期杀死的时候破坏了他人启动的程序。因此这种方式并不适用，在论坛与人讨论后查找资论发现可以使用ptrace来解决，其实也就是模拟strace来跟踪进程中的系统调用。

#define _POSIX_C_SOURCE 200112L

/* C standard library */
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

/* POSIX */
#include <unistd.h>
#include <sys/user.h>
#include <sys/wait.h>

/* Linux */
#include <syscall.h>
#include <sys/ptrace.h>

#define FATAL(...) 
    do { 
        fprintf(stderr, "strace: " __VA_ARGS__); 
        fputc('
', stderr); 
        exit(EXIT_FAILURE); 
    } while (0)

int
main(int argc, char **argv)
{
    if (argc <= 1)
        FATAL("too few arguments: %d", argc);

    pid_t pid = fork();
    switch (pid) {
        case -1: /* error */
            FATAL("%s", strerror(errno));
        case 0:  /* child */
            ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, 0, 0);
            execvp(argv[1], argv + 1);
            FATAL("%s", strerror(errno));
    }

    /* parent */
    waitpid(pid, 0, 0); // sync with PTRACE_TRACEME
    ptrace(PTRACE_SETOPTIONS, pid, 0, PTRACE_O_EXITKILL);

    for (;;) {
        /* Enter next system call */
        if (ptrace(PTRACE_SYSCALL, pid, 0, 0) == -1)
            FATAL("%s", strerror(errno));
        if (waitpid(pid, 0, 0) == -1)
            FATAL("%s", strerror(errno));

        /* Gather system call arguments */
        struct user_regs_struct regs;
        if (ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, 0, &regs) == -1)
            FATAL("%s", strerror(errno));
        long syscall = regs.orig_rax;

        /* Print a representation of the system call */
        fprintf(stderr, "%ld(%ld, %ld, %ld, %ld, %ld, %ld)",
                syscall,
                (long)regs.rdi, (long)regs.rsi, (long)regs.rdx,
                (long)regs.r10, (long)regs.r8,  (long)regs.r9);

        /* Run system call and stop on exit */
        if (ptrace(PTRACE_SYSCALL, pid, 0, 0) == -1)
            FATAL("%s", strerror(errno));
        if (waitpid(pid, 0, 0) == -1)
            FATAL("%s", strerror(errno));

        /* Get system call result */
        if (ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, 0, &regs) == -1) {
            fputs(" = ?
", stderr);
            if (errno == ESRCH)
                exit(regs.rdi); // system call was _exit(2) or similar
            FATAL("%s", strerror(errno));
        }

        /* Print system call result */
        fprintf(stderr, " = %ld
", (long)regs.rax);

        /*clone 系统调用号的特判
        if (56 == syscall){
            printf("%ld
", (long)regs.rax);
        }
        */
    }
}

程序的主体主要是关于ptrace的用法，本文不对ptrace的用法进行详细阐述，具体可参见文末资料。上述程序是一个小型的strace，它将拦截所有的系统调用，并输出相应的信息，如果取消代码尾处对于 clone 系统调用号的特判的注释，那么其打印出来的信息，就是 sublime_text 的 pid，此时我们的问题也得到了解决。对于系统调用号，可在/usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/unistd_64.h查找，也可查看文末资料，此处针对64位机器。

参考资料

Searchable Linux Syscall Table for x86 and x86_64
ptrace-examples
Programming with PTRACE, Part2 - 系统调用入门
使用 Ptrace 拦截和模拟 Linux 系统调用