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进程编程—fork,getpid,exit,_exit

一、要搞清楚fork的执行过程,就必须先讲清楚操作系统中的“进程(process)”概念。一个进程,主要包含三个元素:

o. 一个可以执行的程序;

o. 和该进程相关联的全部数据(包括变量,内存空间,缓冲区等等);

o. 程序的执行上下文(execution context)。
    不妨简单理解为,一个进程表示的,就是一个可执行程序的一次执行过程中的一个状态。操作系统对进程的管理,典型的情况,是通过进程表完成的。进程表中的每一个表项,记录的是当前操作系统中一个进程的情况。对于单 CPU的情况而言,每一特定时刻只有一个进程占用 CPU,但是系统中可能同时存在多个活动的(等待执行或继续执行的)进程。
    一个称为“程序计数器(program counter, pc)”的寄存器,指出当前占用 CPU的进程要执行的下一条指令的位置。
    当分给某个进程的 CPU时间已经用完,操作系统将该进程相关的寄存器的值,保存到该进程在进程表中对应的表项里面;把将要接替这个进程占用 CPU的那个进程的上下文,从进程表中读出,并更新相应的寄存器(这个过程称为“上下文交换(process context switch)”,实际的上下文交换需要涉及到更多的数据,那和fork无关,不再多说,主要要记住程序寄存器pc指出程序当前已经执行到哪里,是进程上下文的重要内容,换出 CPU的进程要保存这个寄存器的值,换入CPU的进程,也要根据进程表中保存的本进程执行上下文信息,更新这个寄存器)。
    好了,有这些概念打底,可以说fork了。当你的程序执行到下面的语句:
    pid=fork();
    操作系统创建一个新的进程(子进程),并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序;上下文和数据,绝大部分就是原进程(父进程)的拷贝,但它们是两个相互独立的进程!此时程序寄存器pc,在父、子进程的上下文中都声称,这个进程目前执行到fork调用即将返回(此时子进程不占有CPU,子进程的pc不是真正保存在寄存器中,而是作为进程上下文保存在进程表中的对应表项内)。问题是怎么返回,在父子进程中就分道扬镳。
    父进程继续执行,操作系统对fork的实现,使这个调用在父进程中返回刚刚创建的子进程的pid(一个正整数),所以下面的if语句中pid<0, pid==0的两个分支都不会执行。所以输出i am the parent process...
    子进程在之后的某个时候得到调度,它的上下文被换入,占据 CPU,操作系统对fork的实现,使得子进程中fork调用返回0。所以在这个进程(注意这不是父进程了哦,虽然是同一个程序,但是这是同一个程序的另外一次执行,在操作系统中这次执行是由另外一个进程表示的,从执行的角度说和父进程相互独立)中pid=0。这个进程继续执行的过程中,if语句中pid<0不满足,但是pid==0是true。所以输出i am the child process...
    我想你比较困惑的就是,为什么看上去程序中互斥的两个分支都被执行了。在一个程序的一次执行中,这当然是不可能的;但是你看到的两行输出是来自两个进程,这两个进程来自同一个程序的两次执行。

 

二、本文介绍了Linux下的进程概念,并着重讲解了与Linux进程管理相关的4个重要系统调用getpid,fork,exit和_exit,辅助一些例程说明了它们的特点和使用方法。

 

关于进程的一些必要知识

先看一下进程在大学课本里的标准定义:“进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。”这个定义非常严谨,而且难懂,如果你没有一下子理解这句话,就不妨看看笔者自己的并不严谨的解释。我们大家都知道,硬盘上的一个可执行文件经常被称作程序,在Linux系统中,当一个程序开始执行后,在开始执行到执行完毕退出这段时间里,它在内存中的部分就被称作一个进程。

当然,这个解释并不完善,但好处是容易理解,在以下的文章中,我们将会对进程作一些更全面的认识。

Linux进程简介

Linux 是一个多任务的操作系统,也就是说,在同一个时间内,可以有多个进程同时执行。如果读者对计算机硬件体系有一定了解的话,会知道我们大家常用的单CPU计算机实际上在一个时间片断内只能执行一条指令,那么Linux是如何实现多进程同时执行的呢?原来Linux使用了一种称为“进程调度(process scheduling)”的手段,首先,为每个进程指派一定的运行时间,这个时间通常很短,短到以毫秒为单位,然后依照某种规则,从众多进程中挑选一个投入运行,其他的进程暂时等待,当正在运行的那个进程时间耗尽,或执行完毕退出,或因某种原因暂停,Linux就会重新进行调度,挑选下一个进程投入运行。因为每个进程占用的时间片都很短,在我们使用者的角度来看,就好像多个进程同时运行一样了。

在Linux中,每个进程在创建时都会被分配一个数据结构,称为进程控制块(Process Control Block,简称PCB)。PCB中包含了很多重要的信息,供系统调度和进程本身执行使用,其中最重要的莫过于进程ID(process ID)了,进程ID也被称作进程标识符,是一个非负的整数,在Linux操作系统中唯一地标志一个进程,在我们最常使用的I386架构(即PC使用的架构)上,一个非负的整数的变化范围是0-32767,这也是我们所有可能取到的进程ID。其实从进程ID的名字就可以看出,它就是进程的身份证号码,每个人的身份证号码都不会相同,每个进程的进程ID也不会相同。

一个或多个进程可以合起来构成一个进程组(process group),一个或多个进程组可以合起来构成一个会话(session)。这样我们就有了对进程进行批量操作的能力,比如通过向某个进程组发送信号来实现向该组中的每个进程发送信号。

 

三、getpid

 

在 2.4.4版内核中,getpid是第20号系统调用,其在Linux函数库中的原型是:

         #include /* 提供类型pid_t的定义 */

         #include<unistd.h> /* 提供函数的定义 */

pid_t getpid(void);

getpid的作用很简单,就是返回当前进程的进程ID,请大家看以下的例子:

/* getpid_test.c *

/#include<unistd.h>

main()

{      

printf("The current process ID is %d\n",getpid());

}

细心的读者可能注意到了,这个程序的定义里并没有包含头文件sys/types.h,这是因为我们在程序中没有用到pid_t类型,pid_t类型即为进程ID的类型。事实上,在i386架构上(就是我们一般PC计算机的架构),pid_t类型是和int类型完全兼容的,我们可以用处理整形数的方法去处理pid_t类型的数据,比如,用"%d"把它打印出来。

 

编译并运行程序getpid_test.c:

 

$gcc getpid_test.c -o getpid_test

$./getpid_test

The current process ID is 1980(你自己的运行结果很可能与这个数字不一样,这是很正常的。)

再运行一遍:

$./getpid_test

The current process ID is 1981

正如我们所见,尽管是同一个应用程序,每一次运行的时候,所分配的进程标识符都不相同。

 

四、fork

 

在2.4.4版内核中,fork是第2号系统调用,其在Linux函数库中的原型是:

         #include  /* 提供类型pid_t的定义 */

         #include<unistd.h> /* 提供函数的定义 */

             pid_t fork(void);

只看fork的名字,可能难得有几个人可以猜到它是做什么用的。fork系统调用的作用是复制一个进程。当一个进程调用它,完成后就出现两个几乎一模一样的进程,我们也由此得到了一个新进程。据说fork的名字就是来源于这个与叉子的形状颇有几分相似的工作流程。

在Linux 中,创造新进程的方法只有一个,就是我们正在介绍的fork。其他一些库函数,如system(),看起来似乎它们也能创建新的进程,如果能看一下它们的源码就会明白,它们实际上也在内部调用了fork。包括我们在命令行下运行应用程序,新的进程也是由shell调用fork制造出来的。fork有一些很有意思的特征,下面就让我们通过一个小程序来对它有更多的了解。

 

/* fork_test.c */

#include

#inlcude<unistd.h>

main()

{

         pid_t pid;           /*此时仅有一个进程*/

         pid="fork"();         /*此时已经有两个进程在同时运行*/

         if(pid<0)

                   printf("error in fork!");

         else if(pid==0)

                   printf("I am the child process, my process ID is %d\n",getpid());

         else           

printf("I am the parent process, my process ID is %d\n",getpid());

}

编译并运行:

$gcc fork_test.c -o fork_test

$./fork_test

I am the parent process, my process ID is 1991

I am the child process, my process ID is 1992

 

看这个程序的时候,头脑中必须首先了解一个概念:在语句pid=fork()之前,只有一个进程在执行这段代码,但在这条语句之后,就变成两个进程在执行了,这两个进程的代码部分完全相同,将要执行的下一条语句都是if(pid==0)……。

两个进程中,原先就存在的那个被称作“父进程”,新出现的那个被称作“子进程”。父子进程的区别除了进程标志符(process ID)不同外,变量pid的值也不相同,pid存放的是fork的返回值。fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次,却能够返回两次,它可能有三种不同的返回值:

在父进程中,fork返回新创建子进程的进程ID;

在子进程中,fork返回0;

如果出现错误,fork返回一个负值;

fork出错可能有两种原因:

(1)当前的进程数已经达到了系统规定的上限,这时errno的值被设置为EAGAIN。

(2)系统内存不足,这时errno的值被设置为ENOMEM。(关于errno的意义,请参考本系列的第一篇文章。)

fork系统调用出错的可能性很小,而且如果出错,一般都为第一种错误。如果出现第二种错误,说明系统已经没有可分配的内存,正处于崩溃的边缘,这种情况对Linux来说是很罕见的。

说到这里,聪明的读者可能已经完全看懂剩下的代码了,如果pid小于0,说明出现了错误;pid==0,就说明fork返回了0,也就说明当前进程是子进程,就去执行printf("I am the child!"),否则(else),当前进程就是父进程,执行printf("I am the parent!")。完美主义者会觉得这很冗余,因为两个进程里都各有一条它们永远执行不到的语句。不必过于为此耿耿于怀,毕竟很多年以前,UNIX的鼻祖们在当时内存小得无法想象的计算机上就是这样写程序的,以我们如今的“海量”内存,完全可以把这几个字节的顾虑抛到九霄云外。

说到这里,可能有些读者还有疑问:如果fork后子进程和父进程几乎完全一样,而系统中产生新进程唯一的方法就是fork,那岂不是系统中所有的进程都要一模一样吗?那我们要执行新的应用程序时候怎么办呢?从对Linux系统的经验中,我们知道这种问题并不存在。至于采用了什么方法,我们把这个问题留到后面具体讨论。

 

五、exit

 

在2.4.4版内核中,exit是第1号调用,其在Linux函数库中的原型是:

         #include<stdlib.h>

               void exit(int status);

不像fork那么难理解,从exit的名字就能看出,这个系统调用是用来终止一个进程的。无论在程序中的什么位置,只要执行到exit系统调用,进程就会停止剩下的所有操作,清除包括PCB在内的各种数据结构,并终止本进程的运行。请看下面的程序:

 

/* exit_test1.c */

#include<stdlib.h>

main()

{

         printf("this process will exit!\n");

         exit(0);

         printf("never be displayed!\n");

}

编译后运行:

$gcc exit_test1.c -o exit_test1

$./exit_test1

this process will exit!

我们可以看到,程序并没有打印后面的"never be displayed!\n",因为在此之前,在执行到exit(0)时,进程就已经终止了。

exit 系统调用带有一个整数类型的参数status,我们可以利用这个参数传递进程结束时的状态,比如说,该进程是正常结束的,还是出现某种意外而结束的,一般来说,0表示没有意外的正常结束;其他的数值表示出现了错误,进程非正常结束。我们在实际编程时,可以用wait系统调用接收子进程的返回值,从而针对不同的情况进行不同的处理。关于wait的详细情况,我们将在以后的篇幅中进行介绍。

 

六、exit和_exit

 

作为系统调用而言,_exit和exit是一对孪生兄弟,它们究竟相似到什么程度,我们可以从Linux的源码中找到答案:

#define __NR__exit __NR_exit /* 摘自文件include/asm-i386/unistd.h第334行 */

 

“__NR_”是在Linux的源码中为每个系统调用加上的前缀,请注意第一个exit前有2条下划线,第二个exit前只有1条下划线。

这时随便一个懂得C语言并且头脑清醒的人都会说,_exit和exit没有任何区别,但我们还要讲一下这两者之间的区别,这种区别主要体现在它们在函数库中的定义。_exit在Linux函数库中的原型是:

         #include<unistd.h>

          void _exit(int status);

和exit比较一下,exit()函数定义在 stdlib.h中,而_exit()定义在unistd.h中,从名字上看,stdlib.h似乎比unistd.h高级一点,那么,它们之间到底有什么区别呢?让我们先来看流程图,通过下图,我们会对这两个系统调用的执行过程产生一个较为直观的认识。

 

_exit()函数的作用最为简单:直接使进程停止运行,清除其使用的内存空间,并销毁其在内核中的各种数据结构;exit()函数则在这些基础上作了一些包装,在执行退出之前加了若干道工序,也是因为这个原因,有些人认为exit已经不能算是纯粹的系统调用。

exit()函数与_exit()函数最大的区别就在于exit()函数在调用exit系统调用之前要检查文件的打开情况,把文件缓冲区中的内容写回文件,就是图中的“清理I/O缓冲”一项。

在Linux 的标准函数库中,有一套称作“高级I/O”的函数,我们熟知的printf()、fopen()、fread()、fwrite()都在此列,它们也被称作“缓冲I/O(buffered I/O)”,其特征是对应每一个打开的文件,在内存中都有一片缓冲区,每次读

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