进程控制

fork 函数

下图为，C 程序的存储空间布局（典型）

典型的存储器安排

一个现有进程可以调用 fork 函数创建一个新进程
fork 函数被调用一次，但返回两次， 两次返回的唯一区别是子进程的返回值是 0, 而父进程的返回值是新子进程的 PID
子进程和父进程继续执行 fork 调用之后的指令

在上图的存储空间布局中，父子进程只共享正文段，其余的都各自有独立的副本 （通常使用 copy-on-write 的策略，速度比较快）

父进程的如下属性由子进程继承：

  • Real user ID, real group ID, effective user ID, and effective group ID
  • Supplementary group IDs
  • Process group ID
  • Session ID
  • Controlling terminal
  • The set-user-ID and set-group-ID flags
  • Current working directory
  • Root directory
  • File mode creation mask
  • Signal mask and dispositions
  • The close-on-exec flag for any open file descriptors
  • Environment
  • Attached shared memory segments
  • Memory mappings
  • Resource limits

父子进程的区别：

  • The return values from fork are different.
  • The process IDs are different.
  • The two processes have different parent process IDs: the parent process ID of the child is the parent; the parent process ID of the parent doesn't change.
  • The child's tms_utime, tms_stime, tms_cutime, and tms_cstime values are set to 0 (these times are discussed in Section 8.17).
  • File locks set by the parent are not inherited by the child.
  • Pending alarms are cleared for the child.
  • The set of pending signals for the child is set to the empty set.

fork 的两种用法

父子进程同时执行不同的代码段

典型应用：Web 服务器

以下代码是简单的 fork 父子进程分别执行不同的代码

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

#define err_sys(x) do { perror(x); exit(1); } while (0)

void invoke_child(char ch)
{
    printf("%c\n", ch);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t   pid;

    int     cnt = 3;
    char    arg[] = "abc";
    while(cnt--) {
        if ((pid = fork()) < 0) {
            err_sys("Fork error");
        } else if (pid == 0) {
            invoke_child(arg[cnt]);
            exit(0);
        }
    }

    return 0;
}

一个进程要执行一个不同的程序

典型应用：Shell

exec 系列函数

Functionpathnamefilenamearg listargv[]environenvp[]
execl***
execlp***
execle***
execv***
execvp***
execve***
(letter in name)plve

这些函数主要区别如下：

  • pathname 和 filename

    filename 作为参数时：

    • 如果 filename 中包含 /, 则将其视为路径名
    • 否则就按 PATH 环境变量，在它所指定的各目录中搜寻可执行文件

    如果找到了一个可执行文件，但是该文件不是机器码可执行文件， 则认为该文件是一个 shell 脚本，于是试着调用 /bin/sh 并以该 filename 作为 shell 的输入

  • arg list 和 argv[]

    当使用 arg list 时，在最后一个命令行参数需要跟一个字符型空指针，例如：

    char *arg0, char *arg1, ..., char *argn, (char *)0

  • environ 和 envp[]

    带有 envp[] 参数的函数可以传递一个指向环境字符串指针数组的指针
    其它函数则调用进程中的 environ 变量为新程序复制现有的环境

执行新程序的进程保留如下原进程的特征：

  • Process ID and parent process ID
  • Real user ID and real group ID
  • Supplementary group IDs
  • Process group ID
  • Session ID
  • Controlling terminal
  • Time left until alarm clock
  • Current working directory
  • Root directory
  • File mode creation mask
  • File locks
  • Process signal mask
  • Pending signals
  • Resource limits
  • Nice value (on XSI-conformant systems; see Section 8.16)
  • Values for tms_utime, tms_stime, tms_cutime, and tms_cstime

这几个函数之间的关系如下图：

exec 函数之间的关系

exec 函数实例
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    extern char     **environ;

    /* echo all command-line args */
    for (int i = 0; i < argc; i++) {
        printf("argv[%d]: %s\n", i, argv[i]);
    }

    /* and all env strings */
    for (char **ptr = environ; *ptr != 0; ptr++) {
        printf("%s\n", *ptr);
    }

    return 0;
}

将上面这个程序编译为 echoall, 放在 /Users/mwum/bin 中

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

#define err_sys(x) do { perror(x); exit(1); } while (0)

char    *env_init[] = { "USER=unknown", "PATH=/tmp", NULL };

int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t   pid;

    if ((pid = fork()) < 0) {
        err_sys("fork error");
    } else if (pid == 0) {
        if (execle("/Users/mwum/bin/echoall",
                   "echoall", "myarg1", "myarg2", (char *)0, env_init) < 0)
            err_sys("execle error");
    }

    if (waitpid(pid, NULL, 0) < 0) {
        err_sys("wait error");
    }

    if ((pid = fork()) < 0) {
        err_sys("fork error");
    } else if (pid == 0 ) {
        if (execlp("echoall",
                   "echoall", "only 1 arg", (char *)0) < 0)
            err_sys("execlp error");
    }

    return 0;
}

编译以上程序，执行结果如下：

$ ./a.out
argv[0]: echoall
argv[1]: myarg1
argv[2]: myarg2
USER=unknown
PATH=/tmp
argv[0]: echoall
argv[1]: only 1 arg
...

孤儿进程，守护进程，僵尸进程

父进程先于子进程结束，这时子进程称为孤儿进程
为避免孤儿进程退出时无法释放所占用的资源而僵死，任何孤儿进程产生时都会立即为系统进程 init 自动接收为子进程

用户也可能会刻意使进程成为孤儿进程，以使之与用户会话脱钩，并转至后台运行。 这一做法常应用于启动需要长时间运行的进程，也即守护进程

一个已经终止，但是其父进程尚未对其进行善后处理的进程被称为僵尸进程
ps 命令将僵死进程的状态打印为 Z

wait 和 waitpid 函数