Linux/Unix分配進程ID的方法以及源碼實現

       在Linux/Unix系統中，每個進程都有一個非負整型表示的唯一進程ID。雖然是唯一的，但是進程的ID可以重用。當一個進程終止後，其進程ID就可以再次使用了。大多數Linux/Unix系統採用延遲重用的算法，使得賦予新建進程ID不同於最近終止進程所使用的ID，這主要是爲了防止將新進程誤認爲是使用同一ID的某個已終止的先前進程。本文討論了Linux/Unix分配進程ID的方法以及源碼實現。

分配進程ID的方法

      在大多數Linux/Unix系統中，生成一個進程ID方法是：從0開始依次連續分配，一直到可以分配的最大的進程ID（不同的系統，這個最大值是不一樣的，比如有些Linux系統是65536）。一旦到達最大值，重新從某個值（不同的系統，這個值也是不一樣的，比如在Mac OS X和HP-UX系統中，這個值是100）開始依次連續查找那些還沒有被使用的ID。這裏分配進程ID的方法，存在潛在的安全問題。因爲可以從系統獲取信息或者提取進程間通信的內容。考慮到安全問題，部分系統可能用其他方法來分配進程ID，比如隨機分配一個進程ID。無論用什麼方法分配進程ID，系統都需要保證每個進程ID是獨一無二的。

Linux系統上分配進程ID的源碼實現

      在Linux系統中，內核分配PID的範圍是(RESERVED_PIDS, PID_MAX_DEFAULT)，在每個namespace中，PID是依次連續分配的（在不同的namespace的task可以有相同的ID）。一旦ID達到分配到達上限（在pseudo-file /proc/sys/kernel/pid_max中可以查看可以分配的最大進程ID），從頭開始查找分配PID。以下是相關的源代碼：

struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
{
	/*省略了一些代碼*/
	for (i = ns->level; i >= 0; i--) {
	    nr = alloc_pidmap(tmp);
	    if (nr < 0)
		goto out_free;
	    pid->numbers[i].nr = nr;
	    pid->numbers[i].ns = tmp;
	    tmp = tmp->parent;
	}
	/*省略了一些代碼*/
}
static int alloc_pidmap(struct pid_namespace *pid_ns)
{
        int i, offset, max_scan, pid, last = pid_ns->last_pid;
        struct pidmap *map;

        pid = last + 1;
        if (pid >= pid_max)
                pid = RESERVED_PIDS;
        /* and later on... */
        pid_ns->last_pid = pid;
        return pid;
}

       注意在Linux內核中，進程PID實現並不僅僅是一個int標識符號（當然返回給應用程序，PID只是int類型的數值）。相關實現的結構體在/include/linux/pid.h中可以找到。除了ID外，它還包括跟這個ID相關的task列表、引用計數器和一個可以方便查找的hashed list。

進程ID分配需要注意的事項
       1、殭屍進程的PID是暫時不能用的，需要其父進程收集器所有的終止狀態才能使用，也就是說需要調用類似wait()函數後，才能使用。
       2、具體實現時，系統可以隨機分配進程PID（當然是保證沒有被其他進程使用），因此在應用程序中，不要依賴於進程PID的分配方式。
       3、在用戶空間(user space)可能看到分配的進程ID並不連續，這是因爲在應用程序兩個fork之間，內核調度程序（scheduling）可能創建了一個進程。事實上，這種情況是經常發生的。

參考資料

《UNIX環境高級編程》（第二版）
http://superuser.com/questions/135007/how-are-pids-generated
http://stackoverflow.com/questions/3446727/how-does-linux-determine-the-next-pid
http://en.wikipedia.org/wiki/Process_identifier