第5章

Linux進(jìn)程線程

5.1  Linux進(jìn)程入門

5.1.1  進(jìn)程概念

一個(gè)程序文件（Program），只是一堆待執(zhí)行的代碼和部分待處理的數(shù)據(jù)，它們只有被加載到內(nèi)存中，然后讓CPU逐條執(zhí)行其代碼，根據(jù)代碼做出相應(yīng)的動(dòng)作，才形成一個(gè)真正“活的”、動(dòng)態(tài)的進(jìn)程（Process）。因此，進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，是一出有始有終的戲，而程序文件只是這一系列動(dòng)作的原始藍(lán)本，是一個(gè)靜態(tài)的劇本。

圖5-1更好地展示了程序和進(jìn)程的關(guān)系。

圖5-1  ELF文件與進(jìn)程虛擬內(nèi)存

圖5-1中的程序文件，是一個(gè)靜態(tài)的存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)器（如磁盤、flash等掉電非易失器件）之中的文件，里面包含了將來(lái)進(jìn)程要運(yùn)行的“劇本”，即執(zhí)行時(shí)會(huì)被復(fù)制到內(nèi)存的數(shù)據(jù)和代碼。除了這些部分，ELF格式中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)與程序本身的邏輯沒(méi)有關(guān)系，只是程序被加載到內(nèi)存中執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)需要處理的額外的輔助信息。另外注意.bss段，這里面放的是未初始化的靜態(tài)數(shù)據(jù)，它們是不需要被復(fù)制的，具體解釋請(qǐng)參閱2.4.1節(jié)。

當(dāng)這個(gè)ELF格式的程序被執(zhí)行時(shí)，內(nèi)核中實(shí)際上產(chǎn)生了一個(gè)名為task_struct{}的結(jié)構(gòu)體來(lái)表示這個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程是一個(gè)“活動(dòng)的實(shí)體”，這個(gè)活動(dòng)的實(shí)體從一開(kāi)始誕生就需要各種各樣的資源以便于生存下去，比如內(nèi)存資源、CPU資源、文件、信號(hào)、各種鎖資源等，所有這些東西都是動(dòng)態(tài)變化的，這些信息都被事無(wú)巨細(xì)地一一記錄在結(jié)構(gòu)體task_struct之中，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)體也常常稱為進(jìn)程控制塊（Process Control Block，PCB）。

下面是該結(jié)構(gòu)體的掠影。

vincent@ubuntu:～/Linux-2.6.35.7/include/Linux$ cat sched.h -n

  ……

  1168  struct task_struct {

  1169      volatile long state;

  1170      void *stack;

  1171      atomic_t usage;

  1172      unsigned int flags; /* per process flags, defined below */

  1173      unsigned int ptrace;

  1174 

  1175      int lock_depth;     /* BKL lock depth */

  1176 

  1177  #ifdef CONFIG_SMP

  1178  #ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW

  1179      int oncpu;

  1180  #endif

  1181  #endif

  1182 

  1183      int prio, static_prio, normal_prio;

  1184      unsigned int rt_priority;

  1185      const struct sched_class *sched_class;

  1186      struct sched_entity se;

  1187      struct sched_rt_entity rt;

  ……

如果沒(méi)什么意外，這個(gè)結(jié)構(gòu)體可能是最大的單個(gè)變量了，一個(gè)結(jié)構(gòu)體就有好幾KB那么大，想想它包含了一個(gè)進(jìn)程的所有信息，這么龐大也就不足為怪了。Linux內(nèi)核代碼紛繁復(fù)雜、千頭萬(wàn)緒，這個(gè)結(jié)構(gòu)體是系統(tǒng)進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中所有涉及的方方面面的縮影，包括系統(tǒng)內(nèi)存管理子系統(tǒng)、進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)、虛擬文件系統(tǒng)等，以這個(gè)所謂的PCB為切入點(diǎn)，是一個(gè)很好的研究?jī)?nèi)核的窗口。

總之，當(dāng)一個(gè)程序文件被執(zhí)行時(shí)，內(nèi)核將會(huì)產(chǎn)生這么一個(gè)結(jié)構(gòu)體，來(lái)承載所有該活動(dòng)實(shí)體日后運(yùn)行時(shí)所需要的所有資源，隨著進(jìn)程的運(yùn)行，各種資源被分配和釋放，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

5.1.2  進(jìn)程組織方式

既然進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，有誕生的一刻，也就有死掉的一天，跟人類非常相似，人不可能無(wú)父無(wú)母，不可能突然從石頭中蹦出來(lái)，進(jìn)程也一樣，每一個(gè)進(jìn)程都必然有一個(gè)生它的父母（除了init），這個(gè)父母是一個(gè)被稱為“父進(jìn)程”的進(jìn)程。實(shí)際上可以用命令pstree來(lái)查看整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)程關(guān)系。

vincent@ubuntu:～$ pstree

init─┬─NetworkManager───{NetworkManager}

       ├─accounts-daemon───{accounts-daemon}

       ├─acpid

       ├─at-spi-bus-laun───2*[{at-spi-bus-laun}]

     ├─atd

     ├─avahi-daemon───avahi-daemon

       ├─bluetoothd

       ├─colord───2*[{colord}]

       ├─console-kit-dae───64*[{console-kit-dae}]

       ├─cron

       ├─cupsd

       ├─3*[dbus-daemon]

       ├─2*[dbus-launch]

       ├─dconf-service───2*[{dconf-service}]

       ├─gconfd-2

       ├─geoclue-master

       ├─6*[getty]

       ├─gnome-keyring-d───6*[{gnome-keyring-d}]

       ├─gnome-terminal─┬─3*[bash]

       │                     ├─bash───pstree

       │                     ├─gnome-pty-helpe

       │                     └─3*[{gnome-terminal}]

       ├─goa-daemon───{goa-daemon}

       ├─gsd-printer───{gsd-printer}

       ├─gvfs-afc-volume───{gvfs-afc-volume}

       ├─gvfs-fuse-daemo───3*[{gvfs-fuse-daemo}]

       ├─gvfs-gdu-volume

       ├─gvfs-gphoto2-vo

       ├─gvfsd

       ├─gvfsd-burn

       ├─gvfsd-metadata

       ├─gvfsd-trash

   ……

pstree是一個(gè)用“樹(shù)狀”方式查看當(dāng)前系統(tǒng)所有進(jìn)程關(guān)系的命令，可以明顯看到它們的關(guān)系就像人類社會(huì)的族譜，大家都有一個(gè)共同的祖先init，每個(gè)人都可以生出幾個(gè)孩子（進(jìn)程沒(méi)有性別，自己一個(gè)人就能生�。�。其中祖先init是一個(gè)非常特別的進(jìn)程，它沒(méi)有父進(jìn)程！它是一個(gè)真正從石頭（操作系統(tǒng)啟動(dòng)鏡像文件）中蹦出來(lái)的野孩子。

另外，每個(gè)進(jìn)程都有自己的“身份證號(hào)碼”，即PID號(hào)，PID是重要的系統(tǒng)資源，它是用以區(qū)分各個(gè)進(jìn)程的基本依據(jù)，可以使用命令ps來(lái)查看進(jìn)程的PID。

vincent@ubuntu:～$ ps -ef | more

UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD

root         1     0  0 Jul22 ?        00:00:03 /sbin/init

root         2     0  0 Jul22 ?        00:00:00 [kthreadd]

root         3     2  0 Jul22 ?        00:00:06 [ksoftirqd/0]

root         6     2  0 Jul22 ?        00:00:01 [migration/0]

root         7     2  0 Jul22 ?        00:00:01 [watchdog/0]

root         8     2  0 Jul22 ?        00:00:00 [migration/1]

root        10     2  0 Jul22 ?        00:00:05 [ksoftirqd/1]

root        11     2  0 Jul22 ?        00:00:02 [watchdog/1]

root        12     2  0 Jul22 ?        00:00:00 [cpuset]

root        15     2  0 Jul22 ?        00:00:00 [netns]

root        17     2  0 Jul22 ?        00:00:01 [sync_supers]

……

上述信息中的第2列就是PID，而第3列是每個(gè)進(jìn)程的父進(jìn)程的PID。既然進(jìn)程有父子關(guān)系，進(jìn)程可以生孩子，那么自然會(huì)有“生老病死”，欲知后事如何，且聽(tīng)下節(jié)分解。

5.2  進(jìn)程的“生老病死”

5.2.1  進(jìn)程狀態(tài)

說(shuō)進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的活動(dòng)的實(shí)體，指的是進(jìn)程會(huì)有很多種運(yùn)行狀態(tài)，一會(huì)兒睡眠、一會(huì)兒暫停、一會(huì)兒又繼續(xù)執(zhí)行。如圖5-2所示為L(zhǎng)inux進(jìn)程從被創(chuàng)建（生）到被回收（死）的全部狀態(tài)，以及這些狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)的條件。

圖5-2  Linux進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

結(jié)合圖5-2所示，一起看一下進(jìn)程從生到死的過(guò)程。

（1）從“蛋生”可以看到，一個(gè)進(jìn)程的誕生，是從其父進(jìn)程調(diào)用fork( )開(kāi)始的。

（2）進(jìn)程剛被創(chuàng)建出來(lái)時(shí)，處于TASK_RUNNING狀態(tài)，從圖5-2中可以看到，處于該狀態(tài)的進(jìn)程可以是正在進(jìn)程等待隊(duì)列中排隊(duì)，也可以占用CPU正在運(yùn)行，我們習(xí)慣上稱前者為“就緒態(tài)”，后者為“執(zhí)行態(tài)”。當(dāng)進(jìn)程狀態(tài)為TASK_RUNNING并且占用CPU時(shí)才是真正運(yùn)行。

（3）剛被創(chuàng)建的進(jìn)程都處于“就緒”狀態(tài)，等待系統(tǒng)調(diào)度，內(nèi)核中的函數(shù)sched( )稱為調(diào)度器，它會(huì)根據(jù)各種參數(shù)來(lái)選擇一個(gè)等待的進(jìn)程去占用CPU。進(jìn)程占用CPU之后就可以真正運(yùn)行了，運(yùn)行時(shí)間有個(gè)限定，比如20ms，這段時(shí)間稱為time slice，即“時(shí)間片”的概念。時(shí)間片耗光的情況下如果進(jìn)程還沒(méi)有結(jié)束，那么會(huì)被系統(tǒng)重新放入等待隊(duì)列中等待。另外，正處于“執(zhí)行態(tài)”的進(jìn)程即使時(shí)間片沒(méi)有耗光，也可能被別的更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程“搶占”CPU，被迫重新回到等待隊(duì)列中等待。

換句話說(shuō)，進(jìn)程跟人一樣，從來(lái)都沒(méi)有什么平等可言，有貴族就有屌絲，它們要處理的事情有不同的輕重緩急之分。

（4）進(jìn)程處于“執(zhí)行態(tài)”時(shí)，可能會(huì)由于某些資源的不可得而被置為“睡眠態(tài)/掛起態(tài)”，比如進(jìn)程要讀取一個(gè)管道文件數(shù)據(jù)而管道為空，或者進(jìn)程要獲得一個(gè)鎖資源而當(dāng)前鎖不可獲取，或者干脆進(jìn)程自己調(diào)用sleep( )來(lái)強(qiáng)制自己掛起，這些情況下進(jìn)程的狀態(tài)都會(huì)變成TASK_INTERRUPIBLE或TASK_UNINTERRUPIBLE，它們的區(qū)別是一般后者跟某些硬件設(shè)置相關(guān)，在睡眠期間不能響應(yīng)信號(hào)，因此TASK_UNINTERRUPIBLE的狀態(tài)也稱為深度睡眠，相應(yīng)地TASK_INTERRUPIBLE期間進(jìn)程是可以響應(yīng)信號(hào)的。當(dāng)進(jìn)程所等待的資源變得可獲取時(shí)，又會(huì)被系統(tǒng)置為TASK_RUNNING狀態(tài)重新就緒排隊(duì)。

（5）當(dāng)進(jìn)程收到SIGSTOP或SIGTSTP中的一個(gè)信號(hào)時(shí)，狀態(tài)會(huì)被置為TASK_STOPPED，此時(shí)稱為“暫停態(tài)”，該狀態(tài)下的進(jìn)程不再參與調(diào)度，但系統(tǒng)資源不釋放，直到收到SIGCONT信號(hào)后被重新置為就緒態(tài)。當(dāng)進(jìn)程被追蹤時(shí)（典型情況是被調(diào)試器調(diào)試時(shí)），收到任何信號(hào)狀態(tài)都會(huì)被置為TASK_TRACED，該狀態(tài)與暫停態(tài)是一樣的，一直要等到SIGCONT才會(huì)重新參與系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度。

（6）運(yùn)行的進(jìn)程跟人一樣，遲早都會(huì)死掉。進(jìn)程的死亡可以有多種方式，可以是壽終正寢的正常退出，也可以是被異常殺死。比如圖5-2中，在main函數(shù)內(nèi)return或調(diào)用exit( )，包括在最后線程調(diào)用pthread_exit( )都是正常退出，而受到致命信號(hào)死掉的情況則是異常死亡，不管怎么死，最后內(nèi)核都會(huì)調(diào)用do_exit( )的函數(shù)來(lái)使得進(jìn)程的狀態(tài)變成所謂的僵尸態(tài)EXIT_ZOMBIE，單詞ZOMBIE對(duì)于玩過(guò)“植物大戰(zhàn)僵尸”的讀者都不會(huì)陌生，這里的“僵尸”指的是進(jìn)程的PCB（進(jìn)程控制塊）。

為什么一個(gè)進(jìn)程的死掉之后還要把尸體留下呢？因?yàn)檫M(jìn)程在退出時(shí)，將其退出信息都封存在它的尸體里面了，比如如果它正常退出，那退出值是多少呢？如果被信號(hào)殺死，那么是哪個(gè)信號(hào)呢？這些“死亡信息”都被一一封存在該進(jìn)程的PCB當(dāng)中，好讓別人可以清楚地知道：我是怎么死的。

那誰(shuí)會(huì)關(guān)心它是怎么死的呢？答案是它的父進(jìn)程，它的父進(jìn)程之所以要?jiǎng)?chuàng)建它，很大的原因是要讓這個(gè)孩子去干某一件事情，現(xiàn)在這個(gè)孩子已死，那事情辦得如何？孩子是否需要有個(gè)交代？但它又死掉了，所以之后將這些“死亡信息”封存在自己的尸體里面，等著父進(jìn)程去查看。例如，父子進(jìn)程可以約定：如果事情辦成了退出值為0；如果權(quán)限不足退出值為1；如果內(nèi)存不夠退出值為2；等等。父進(jìn)程可以隨時(shí)查看一個(gè)已經(jīng)死去的孩子的PCB來(lái)確定事情究竟辦得如何�？梢钥吹�，在工業(yè)社會(huì)中，哪怕是進(jìn)程間的協(xié)作，也充滿了契約精神。

（7）父進(jìn)程調(diào)用wait( ) /waitpid( )來(lái)查看孩子的“死亡信息”，順便做一件非常重要的事情：將該孩子的狀態(tài)設(shè)置為EXIT_DEAD，即死亡態(tài)，因?yàn)樘幱谶@個(gè)狀態(tài)的進(jìn)程的PCB才能被系統(tǒng)回收。由此可見(jiàn)，父進(jìn)程應(yīng)盡職盡責(zé)地及時(shí)調(diào)用wait( ) /waitpid( )，否則系統(tǒng)會(huì)充滿越來(lái)越多的“僵尸”！

問(wèn)題是，如何保證父進(jìn)程一定要及時(shí)地調(diào)用wait( ) /waitpid( )從而避免僵尸進(jìn)程泛濫呢？答案是不能，因?yàn)楦高M(jìn)程也許需要做別的事情沒(méi)空去幫那些死去的孩子收尸，甚至那些孩子在變成僵尸時(shí)，它的父進(jìn)程已經(jīng)先它而去了！

后一種情況其實(shí)比較容易解決：如果一個(gè)進(jìn)程的父進(jìn)程退出，那么祖先進(jìn)程init（該進(jìn)程是系統(tǒng)第一個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程，它的PCB是從內(nèi)核的啟動(dòng)鏡像文件中直接加載的，不需要?jiǎng)e的進(jìn)程fork( )出來(lái)，因此它是無(wú)父無(wú)母的，系統(tǒng)中的所有其他進(jìn)程都是它的后代）將會(huì)收養(yǎng)（adopt）這些孤兒進(jìn)程。換句話說(shuō)，Linux系統(tǒng)保證任何一個(gè)進(jìn)程（除了init）都有父進(jìn)程，也許是其真正的生父，也許是其祖先init。

而前一種情況是：父進(jìn)程有別的事情要干，不能隨時(shí)執(zhí)行wait( ) /waitpid( )來(lái)確�；厥战┦�資源。在這樣的情形下，我們可以考慮使用信號(hào)異步通知機(jī)制，讓一個(gè)孩子在變成僵尸時(shí)，給其父進(jìn)程發(fā)一個(gè)信號(hào)，父進(jìn)程接收到這個(gè)信號(hào)之后，對(duì)其進(jìn)行處理，在此之前想干嘛就干嘛，異步操作。但即便是這樣也仍然存在問(wèn)題：如果兩個(gè)以上的孩子同時(shí)退出變僵尸，那么它們就會(huì)同時(shí)給其父進(jìn)程發(fā)送相同的信號(hào)，而相同的信號(hào)將會(huì)被淹沒(méi)。如何解決這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)參閱5.3.2節(jié)。

5.2.2  相關(guān)重要API

本節(jié)將詳細(xì)展示進(jìn)程開(kāi)發(fā)相關(guān)的API，第一個(gè)需要知道的接口函數(shù)當(dāng)然是創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，如表5-1所示。

表5-1  函數(shù)fork( )的接口規(guī)范

這個(gè)函數(shù)接口本身非常簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到連參數(shù)都沒(méi)有，但是這個(gè)函數(shù)有個(gè)與眾不同的地方：它會(huì)使得進(jìn)程一分為二！就像細(xì)胞分裂一樣，如圖5-3所示。

圖5-3  細(xì)胞分裂

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)用fork( )成功后，fork( )將分別返回到兩個(gè)進(jìn)程之中，換句話說(shuō)，fork( )在父子兩個(gè)進(jìn)程中都會(huì)返回，而它們所得到的返回值也不一樣，如圖5-4所示。

要著重注意如下幾點(diǎn)。

（1）fork( )會(huì)使得進(jìn)程本身被復(fù)制（想想細(xì)胞分裂），因此被創(chuàng)建出來(lái)的子進(jìn)程和父進(jìn)程幾乎是一模一樣的，說(shuō)“幾乎”意味著子進(jìn)程并不是100%為一份父進(jìn)程的復(fù)印件，它們的具體關(guān)系如下。

圖5-4  創(chuàng)建子進(jìn)程的過(guò)程示意圖

父子進(jìn)程的以下屬性在創(chuàng)建之初完全一樣，子進(jìn)程相當(dāng)于做了一份復(fù)制品。

l  實(shí)際UID和GID，以及有效UID和GID。

l  所有環(huán)境變量。

l  進(jìn)程組ID和會(huì)話ID。

l  當(dāng)前工作路徑。除非用chdir()加以修改。

l  打開(kāi)的文件。

l  信號(hào)響應(yīng)函數(shù)。

l  整個(gè)內(nèi)存空間，包括棧、堆、數(shù)據(jù)段、代碼段、標(biāo)準(zhǔn)I/O的緩沖區(qū)等。

而以下屬性，父子進(jìn)程是不一樣的。

l  進(jìn)程號(hào)PID。PID是身份證號(hào)碼，哪怕親如父子，也要區(qū)分開(kāi)。

l  記錄鎖。父進(jìn)程對(duì)某文件加了把鎖，子進(jìn)程不會(huì)繼承這把鎖。

l  掛起的信號(hào)。這些信號(hào)是所謂的“懸而未決”的信號(hào)，等待著進(jìn)程的響應(yīng)，子進(jìn)程也不會(huì)繼承這些信號(hào)。

（2）子進(jìn)程會(huì)從fork( )返回值后的下一條邏輯語(yǔ)句開(kāi)始運(yùn)行。這樣就避免了不斷調(diào)用fork( )而產(chǎn)生無(wú)限子孫的悖論。

（3）父子進(jìn)程是相互平等的。它的執(zhí)行次序是隨機(jī)的，或者說(shuō)它們是并發(fā)運(yùn)行的，除非使用特殊機(jī)制來(lái)同步它們，否則不能判斷它們的運(yùn)行究竟誰(shuí)先誰(shuí)后。

（4）父子進(jìn)程是相互獨(dú)立的。由于子進(jìn)程完整地復(fù)制了父進(jìn)程的內(nèi)存空間，因此從內(nèi)存空間的角度看它們是相互獨(dú)立、互不影響的。

以下代碼顯示了fork( )的作用。

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ cat fork.c -n

     1   #include <stdio.h>

     2   #include <unistd.h>

     3  

     4   int main(void)

     5   {

     6       printf("[%d]: before fork() ... \n", (int)getpid());

     7  

     8       pid_t x;

     9       x = fork(); //生個(gè)孩子

    10 

    11      printf("[%d]: after fork() ...\n", (int)getpid());

    12      return 0;

    13  }

執(zhí)行效果如下。

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ ./fork

[23900]: before fork() ...

[23900]: after fork() ...

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ [23901]: after fork() ...

可以看到，第11行代碼被執(zhí)行了兩遍，函數(shù)getpid( )展示了當(dāng)前進(jìn)程的PID，其中23900是父進(jìn)程，23901是子進(jìn)程。從執(zhí)行效果看還有一個(gè)很有意思的現(xiàn)象：子進(jìn)程打印的信息被擠到Shell命令提示符（vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$）之后！造成這個(gè)結(jié)果的原因是：Shell命令提示符默認(rèn)會(huì)在父進(jìn)程退出之后立即顯示出來(lái)，而父進(jìn)程退出之時(shí)，子進(jìn)程還沒(méi)來(lái)得及執(zhí)行完第11行。

由于父子進(jìn)程的并發(fā)性，以上程序的執(zhí)行效果是不一定的，換句話說(shuō)，們?nèi)绻�再�?zhí)行一遍代碼可能會(huì)得到這樣的效果：

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ ./fork

[23900]: before fork() ...

[23901]: after fork() ...

[23900]: after fork() ...

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$

接下來(lái)一個(gè)脫口而出的疑問(wèn)是：好不容易生了個(gè)孩子，但是干的事情跟父進(jìn)程是一樣的，那我們要這個(gè)孩子有何用呢？答案是：上述代碼確實(shí)沒(méi)有什么實(shí)際意義，事實(shí)上我們一般會(huì)讓孩子去執(zhí)行一個(gè)預(yù)先準(zhǔn)備好的ELF文件或腳本，用以覆蓋從父進(jìn)程復(fù)制過(guò)來(lái)的代碼，下面先介紹這個(gè)加載ELF文件或腳本的接口函數(shù)，如表5-2所示。

表5-2  函數(shù)族e(cuò)xec( )的接口規(guī)范

上述代碼組成一個(gè)所謂的“exec函數(shù)簇”，因?yàn)樗鼈兌?ldquo;長(zhǎng)”得差不多，功能都是一樣的，彼此間有些許區(qū)別（詳見(jiàn)表5-2中的備注）。使用這些函數(shù)還要注意以下事實(shí)。

（1）被加載的文件的參數(shù)列表必須以自身名字為開(kāi)始，以NULL為結(jié)尾。比如要加載執(zhí)行當(dāng)前目錄下的一個(gè)名為a.out的文件，需要一個(gè)參數(shù)“abcd”，那么正確的調(diào)用應(yīng)該是：

execl("./a.out", "a.out", "abcd", NULL);

或者：

const char *argv[3] = {"a.out", "abcd", NULL};

execv("./a.out", argv);

（2）exec函數(shù)簇成功執(zhí)行后，原有的程序代碼都將被指定的文件或腳本覆蓋，因此這些函數(shù)一旦成功，后面的代碼是無(wú)法執(zhí)行的，它們也是無(wú)法返回的。

下面展示子進(jìn)程被創(chuàng)建出來(lái)之后執(zhí)行的代碼，以及如何加載這個(gè)指定的程序。被子進(jìn)程加載的示例代碼如下。

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ cat child_elf.c -n

     1   #include <stdio.h>

     2   #include <stdlib.h>

     3  

     4   int main(void)

     5   {

     6       printf("[%d]: yep, I am the child\n", (int)getpid());

     7       exit(0);

     8   }

下面是使用exec函數(shù)簇中的execl來(lái)讓子進(jìn)程加載上述代碼的示例。

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ cat exec.c -n

     1   #include <stdio.h>

     2   #include <stdlib.h>

     3   #include <unistd.h>

     4  

     5   int main(int argc, char **argv)

     6   {

     7       pid_t x;

     8       x = fork();

     9  

    10      if(x > 0) //父進(jìn)程

    11      {

    12          printf("[%d]: I am the parent\n", (int)getpid());

    13          exit(0);

    14      }

    15 

    16      if(x == 0) //子進(jìn)程

    17      {

    18          printf("[%d]: I am the child\n", (int)getpid());

    19          execl("./child_elf", "child_elf", NULL); //執(zhí)行child_elf程序

    20 

    21          printf("NEVER be printed\n"); //這是一條將被覆蓋的代碼

    22      }

    23 

    24      return 0;

    25  }

下面是執(zhí)行結(jié)果：

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ ./exec

[24585]: I am the parent

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ [24586]: I am the child

[24586]: yep, I am the child

從以上執(zhí)行結(jié)果看到，父進(jìn)程比其子進(jìn)程先執(zhí)行完代碼并退出，因此Shell命令提示行又被夾在中間了，那么怎么讓子進(jìn)程先運(yùn)行并退出之后，父進(jìn)程再繼續(xù)呢？子進(jìn)程的退出狀態(tài)又怎么傳遞給父進(jìn)程呢？答案是：可以使用exit( )/_exit( )來(lái)退出并傳遞退出值，使用wait( )/waitpid( )來(lái)使父進(jìn)程阻塞等待子進(jìn)程，順便還可以幫子進(jìn)程收尸，這幾個(gè)函數(shù)的接口如表5-3所示。

表5-3  函數(shù)exit()和_exit()的接口規(guī)范

以下代碼展示了exit( )和_exit( )的用法和區(qū)別。

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ cat exit.c -n

     1   #include <stdio.h>

     2   #include <stdlib.h>

     3   #include <unistd.h>

     4  

     5   void routine1(void) //退出處理函數(shù)

     6   {

     7       printf("routine1 is called.\n");

     8   }

     9  

    10  void routine2(void) //退出處理函數(shù)

    11  {

    12      printf("routine2 is called.\n");

    13  }

    14 

    15  int main(int argc, char **argv)

    16  {

    17      atexit(routine1); //注冊(cè)退出處理函數(shù)

    18      atexit(routine2);

    19 

    20      fprintf(stdout, "abcdef"); //將數(shù)據(jù)輸送至標(biāo)準(zhǔn)IO緩沖區(qū)

    21 

    22  #ifdef _EXIT

    23      _exit(0); //直接退出

    24  #else

    25      exit(0); //沖洗緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行退出處理函數(shù)

    26  #endif

    27  }

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ gcc exit.c -o exit

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ ./exit

abcdefroutine2 is called.

routine1 is called.

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ gcc exit.c -o exit -D_EXIT

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ ./exit

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$

通過(guò)以上操作可見(jiàn)，如果編譯時(shí)不加-D_EXIT，那么程序?qū)��?huì)執(zhí)行exit(0)，那么字符串a(chǎn)bcdef和兩個(gè)退出處理函數(shù)（所謂的“退出處理函數(shù)”指的是進(jìn)程使用exit( )退出時(shí)被自動(dòng)執(zhí)行的函數(shù)，需要使用atexit( )來(lái)注冊(cè)）都被相應(yīng)地處理了。而如果編譯時(shí)加了-D_EXIT的話，那么程序?qū)��?zhí)行_exit(0)，從執(zhí)行結(jié)果看，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)沒(méi)有被沖洗，退出處理函數(shù)也沒(méi)有被執(zhí)行。

這兩個(gè)函數(shù)的參數(shù)status是該進(jìn)程的退出值，進(jìn)程退出后狀態(tài)切換為EXIT_ZOMBIE，相應(yīng)地，這個(gè)值將會(huì)被放在該進(jìn)程的“尸體”（PCB）里面，等待父進(jìn)程回收。在進(jìn)程異常退出時(shí)，有時(shí)需要向父進(jìn)程匯報(bào)異常情況，此時(shí)就用非零值來(lái)代表特定的異常情況，比如1代表權(quán)限不足、2代表內(nèi)存不夠等，具體情況只要父子進(jìn)程商定好就可以了。

接下來(lái)，父進(jìn)程如果需要，可以使用wait( )/waitpid( )來(lái)獲得子進(jìn)程正常退出的退出值，當(dāng)然，這兩個(gè)函數(shù)還可以使得父進(jìn)程阻塞等待子進(jìn)程的退出，以及將子進(jìn)程狀態(tài)切換為EXIT_DEAD，以便于系統(tǒng)釋放子進(jìn)程資源。表5-5所示是這兩個(gè)函數(shù)的接口。

表5-4  函數(shù)wait()和waitpid()的接口規(guī)范

續(xù)表　　

注意，所謂的退出狀態(tài)不是退出值，退出狀態(tài)包括了退出值。如果使用以上兩個(gè)函數(shù)成功獲取了子進(jìn)程的退出狀態(tài)，則可以使用以下宏來(lái)進(jìn)一步解析，如表5-5所示。

表5-5  處理子進(jìn)程退出狀態(tài)值的宏

注：

① 正常退出指的是調(diào)用exit( )/_exit( )，或者在主函數(shù)中調(diào)用return，或者在最后一個(gè)線程調(diào)用pthread_exit( )。

② 由于沒(méi)有在POSXI.1—2001標(biāo)準(zhǔn)中定義，這個(gè)選項(xiàng)在某些UNIX系統(tǒng)中無(wú)效，比如AIX或者sunOS中。

以下示例代碼，綜合展示了如何正確使用fork( )/exec( )函數(shù)簇、exit( )/_exit( )和wait( )/waitpid( )。程序的功能是：父進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)子進(jìn)程讓它去程序child_elf，并且等待它的退出（可以用wait( )阻塞等待，也可以用waitpid( )非阻塞等待），子進(jìn)程退出（可以正常退出，也可以異常退出）后，父進(jìn)程獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)后打印出來(lái)。詳細(xì)代碼如下。

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ cat child_elf.c -n

     1   #include <stdio.h>

     2   #include <stdlib.h>

     3  

     4   int main(void)

     5   {

     6       printf("[%d]: yep, I am the child\n", (int)getpid());

     7  

     8   #ifdef ABORT

     9       abort(); //自己給自己發(fā)送一個(gè)致命信號(hào)SIGABRT，自殺

    10  #else

    11      exit(7); //正常退出，且退出值為7

    12  #endif

    13  }

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ cat wait.c -n

     1   #include <stdio.h>

     2   #include <stdlib.h>

     3   #include <stdbool.h>

     4   #include <unistd.h>

     5   #include <string.h>

     6   #include <strings.h>

     7   #include <errno.h>

     8  

     9   #include <sys/stat.h>

    10  #include <sys/types.h>

    11  #include <fcntl.h>

    12 

    13  int main(int argc, char **argv)

    14  {

    15      pid_t x = fork();

    16 

    17      if(x == 0)      //子進(jìn)程，執(zhí)行指定程序child_elf

    18      {

    19          execl("./child_elf", "child_elf", NULL);

    20      }

    21     

    22      if(x > 0)       //父進(jìn)程，使用wait( )阻塞等待子進(jìn)程的退出

    23      {

    24          int status;

    25          wait(&status);

    26 

    27          if(WIFEXITED(status))           //判斷子進(jìn)程是否正常退出

    28          {

    29              printf("child exit normally, "

    30                     "exit value: %hhu\n", WEXITSTATUS(status));

    31          }

    32         

    33          if(WIFSIGNALED(status))         //判斷子進(jìn)程是否被信號(hào)殺死

    34          {

    35              printf("child killed by signal: %u\n",

    36                  WTERMSIG(status));

    37          }

    38      }

    39 

    40      return 0;

    41  }

執(zhí)行效果如下：

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ gcc child_elf.c -o child_elf

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ ./wait

[26259]: yep, I am the child

child exit normally, exit value: 7

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ gcc child_elf.c -o child_elf -DABORT

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$ ./wait

[26266]: yep, I am the child

child killed by signal: 6

vincent@ubuntu:～/ch05/5.2$

可以看到，子進(jìn)程不同的退出情形，父進(jìn)程的確可以通過(guò)wait( )/waitpid( )和一些相應(yīng)的宏來(lái)獲取，這是協(xié)調(diào)父子進(jìn)程工作的一個(gè)重要途徑。

至此，我們已經(jīng)知道如何創(chuàng)建多進(jìn)程，以及掌握了它們的基本操作方法了，有一點(diǎn)是必須再提醒一次的：進(jìn)程它們是相互獨(dú)立的，最重要體現(xiàn)在它們互不干擾的內(nèi)存空間上，它們的數(shù)據(jù)是不共享的，但如果多個(gè)進(jìn)程需要協(xié)同合作，就必然會(huì)有數(shù)據(jù)共享的需求，就像人與人之間需要說(shuō)話一樣，進(jìn)程需要通過(guò)某樣?xùn)|西來(lái)互相傳遞信息和數(shù)據(jù)，這就是所謂的IPC（Inter-Process Comunication）機(jī)制，IPC有很多種，它們是如何使用的？有哪些特點(diǎn)？在什么場(chǎng)合適用？請(qǐng)看5.3節(jié)。