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前言
這篇文章主要介紹 Linux 系統(tǒng)中進(jìn)程控制相關(guān)的 API樱调，包括創(chuàng)建，執(zhí)行届良，終止等操作笆凌。基本的進(jìn)程相關(guān)的概念在上一篇文章中已經(jīng)介紹過了士葫，不太熟悉的可以再回去了解了解乞而。
進(jìn)程標(biāo)識
每個進(jìn)程都有一個非負(fù)整數(shù)表示的唯一的進(jìn)程 ID，因為進(jìn)程 ID 標(biāo)識符總是唯一的慢显，所以常常把 ID 作為其他標(biāo)識符的一部分用來保證唯一性爪模，并且進(jìn)程的 ID 也是可以復(fù)用的，當(dāng)一個進(jìn)程終止后荚藻，其進(jìn)程 ID 就可能被其他剛創(chuàng)建的進(jìn)程所使用。
Linux 系統(tǒng)提供了一些獲取進(jìn)程 ID 的函數(shù)：
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
// 得到當(dāng)前進(jìn)程 ID
pid_t getpid(void);
// 得到父進(jìn)程 ID
pid_t getppid(void);
這兩個函數(shù)比較簡單，就是直接調(diào)用然后輸出即可刺下，可以自己嘗試輸出試試树埠。
進(jìn)程的 system 接口
我們在 Windows 下有 system 接口可以使用，例如打開記事本：
system("notepad");
同樣在 Linux 下也有這個接口疾呻，可以執(zhí)行相關(guān)的程序：
#include <stdlib.h>
// 調(diào)用 fork 函數(shù)執(zhí)行 command 命令
int system(const char *command);
例如除嘹，使用 system 接口來執(zhí)行 ls 命令：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
// 調(diào)用 ls
system("ls");
return 0;
}
system 接口底層其實還是使用系統(tǒng)調(diào)用 fork，exec岸蜗，waitpid 來執(zhí)行程序尉咕，只是在上層又封裝了一次。
創(chuàng)建進(jìn)程 fork
fork 的定義
在 Linux 中散吵，我們使用 fork 來創(chuàng)建一個子進(jìn)程：
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
fork 的返回值
fork 函數(shù)有些特殊龙考，成功它返回 2 次蟆肆，失敗返回 -1，利用這個特性可以判斷當(dāng)前的進(jìn)程是子進(jìn)程還是父進(jìn)程：
- 在子進(jìn)程中返回 0
- 在父進(jìn)程中返回子進(jìn)程的進(jìn)程 ID
// test_fork1.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
pid_t pid = fork();
if (-1 == pid)
perror("fork fail");
else if (0 == pid) // 子進(jìn)程返回 0
printf("I'm child process: %d\n", getpid());
else // 父進(jìn)程返回子進(jìn)程 PID
printf("I'm parent process晦款，fork return is: %d\n", pid);
return 0;
}
我們編譯運(yùn)行看看效果：
# 編譯
gcc test_fork1.c -o test_fork1
# 運(yùn)行
./test_fork1
I'm parent process炎功，fork return is: 12557
I'm child process: 12557
可以看到父進(jìn)程的返回值是子進(jìn)程的 PID：12557，子進(jìn)程的 PID 正是 12557缓溅，這也驗證了 fork 的返回值的特點蛇损。
fork 的寫時復(fù)制技術(shù)
通過執(zhí)行 fork，子進(jìn)程得到父進(jìn)程的一個副本坛怪，例如子進(jìn)程獲得父進(jìn)程的數(shù)據(jù)空間淤齐，堆和棧的副本，但是它們并不共享存儲空間袜匿，它們只共享代碼段更啄。但是在現(xiàn)在的系統(tǒng)實現(xiàn)中，并不執(zhí)行拷貝父進(jìn)程的副本居灯，作為替代方案祭务，而是使用寫時復(fù)制（Copy - On - Write）技術(shù)。
寫時復(fù)制：在 fork 之后怪嫌，這些區(qū)域由父子進(jìn)程共享义锥，而且內(nèi)核將它們的訪問權(quán)限改變?yōu)橹蛔x，如果父子進(jìn)程中的任何一個試圖修改這些區(qū)域岩灭，內(nèi)核只為修改區(qū)域的那片內(nèi)存制作一個副本給子進(jìn)程拌倍。
不管是哪種技術(shù)實現(xiàn)，最后父子進(jìn)程的數(shù)據(jù)都是獨立的噪径，不會相互影響柱恤，我們來看一個實際的例子：
// test_fork2.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int count = 0;
// 創(chuàng)建子進(jìn)程
pid_t pid = fork();
// 父子進(jìn)程中都有這個變量
count++;
if (-1 == pid)
perror("fork fail");
else if (0 == pid) // 子進(jìn)程 count 變量
printf("child process count: %d\n", count);
else // 父進(jìn)程 count 變量
printf("parent process count: %d\n", count);
return 0;
}
編譯運(yùn)行：
# 編譯
gcc test_fork2.c -o test_fork2
# 運(yùn)行
./test_fork2
parent process count: 1
child process count: 1
結(jié)果是父子進(jìn)程中的 count = 1，如果父子進(jìn)程的 count 不獨立的話熄云，子進(jìn)程的 count 應(yīng)該等于 2膨更，但是實際上是等于 1，說明父子進(jìn)程的數(shù)據(jù)是獨立的缴允。
子進(jìn)程的執(zhí)行位置
fork 還有一個特點：子進(jìn)程不是從 main 函數(shù)開始執(zhí)行的荚守，而是從 fork 返回的地方開始，我們來看個實際的例子：
// test_fork3.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main(void) {
int ret_from_fork = 0;
int mypid = getpid();
printf("Before: my pid is %d\n", mypid);
// 創(chuàng)建子進(jìn)程练般，子進(jìn)程從這里返回
ret_from_fork = fork();
sleep(1);
printf("After: my pid is %d, fork() said %d\n", getpid(), ret_from_fork);
return 0;
}
編譯運(yùn)行結(jié)果：
# 編譯
gcc test_fork3.c -o test_fork3
# 運(yùn)行
./test_fork3
Before: my pid is 9670
After: my pid is 9670, fork() said 9671
After: my pid is 9671, fork() said 0
看到只打印一個 Before 信息矗漾，沒有打印 2 個 Before 原因是：內(nèi)核通過復(fù)制父進(jìn)程 9670 來創(chuàng)建子進(jìn)程 9671，并將父進(jìn)程 9670 代碼和當(dāng)前運(yùn)行到的位置都復(fù)制到子進(jìn)程 9671薄料，所以新的子進(jìn)程 9671 從 fork 返回的地方開始運(yùn)行敞贡，而不是從頭開始，也就不會打印開頭的 Before 了摄职。
創(chuàng)建進(jìn)程 vfork
還有一個創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用 vfork誊役，它跟 fork 很相似获列，但是也有幾點不同：
- vfork 的目的是創(chuàng)建一個子進(jìn)程來運(yùn)行一個程序
- vfork 并不復(fù)制父進(jìn)程地址空間，子進(jìn)程在父進(jìn)程地址空間中運(yùn)行蛔垢，并阻塞父進(jìn)程直到子進(jìn)程返回
- vfork 保證子進(jìn)程先運(yùn)行
- 子進(jìn)程需要調(diào)用 exec 或 exit 函數(shù)退出击孩，否則會帶來未知結(jié)果。
來看個實際的例子：
// test_vfork.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int count = 0;
pid_t pid = vfork();
count++;
if (-1 == pid) {
perror("fork fail");
} else if (0 == pid) {
printf("child process count : %d\n", count);
exit(0);
} else {
// 父進(jìn)程會阻塞
printf("parent process count: %d\n", count);
}
return 0;
}
編譯運(yùn)行：
# 編譯
gcc test_vfork.c -o test_vfork
# 運(yùn)行
./test_vfork
child process count: 1
parent process count: 2
這個結(jié)果跟前面使用 fork 的例子是不同的鹏漆，使用 vfork 先打印的子進(jìn)程信息巩梢，再打印父進(jìn)程的信息，是因為父進(jìn)程被阻塞了艺玲，直到子進(jìn)程執(zhí)行完了才有機(jī)會執(zhí)行括蝠。并且由于子進(jìn)程在父進(jìn)程的地址空間中運(yùn)行，所以子進(jìn)程中對 count 加一的操作對父進(jìn)程也是有效的饭聚，因此最后父進(jìn)程的 count = 2忌警。
exec
fork 函數(shù)里面最后也是調(diào)用 exec 等函數(shù)來執(zhí)行程序的，我們有必須要了解這個函數(shù)：
#include <unistd.h>
// path：程序名稱若治，argv：運(yùn)行參數(shù)
int execv(const char *path, char *const argv[]);
exec 有很多變種函數(shù)慨蓝，例如 execlp感混，execle端幼，等等，但基本的用法都是差不多的弧满，這里就以 execl 為例來看個程序：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
char* argvs[] = {"ps", "-ef", NULL};
execv("ps", argvs);
return 0;
}
運(yùn)行結(jié)果就相當(dāng)與 shell 命令：ps - ef婆跑，其他的變種函數(shù)可以通過 man exec 來查看。
進(jìn)程等待 wait
父進(jìn)程可以使用 wait 系統(tǒng)調(diào)用主動等待子進(jìn)程或者指定進(jìn)程結(jié)束庭呜，并獲得子進(jìn)程的結(jié)束信息：
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
// 等待子進(jìn)程結(jié)束
pid_t wait(int *wstatus);
// 等待指定的 PID 進(jìn)程結(jié)束
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);
這個系統(tǒng)調(diào)用的過程如下：
- wait 暫停調(diào)用它的進(jìn)程直到子進(jìn)程結(jié)束
- wait 調(diào)用成功返回子進(jìn)程的 PID
- wstatus 存儲子進(jìn)程的返回信息（正常退出滑进，異常退出，被信號殺死）募谎，以此來知道子進(jìn)程是如何結(jié)束的
大致的流程如下：
F ---fork------> F -------- wait ----> F ------------->
| |
| |
| |
-------> C -------------exit() -
來看看 wait 是如何使用的：
// test_wait.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main() {
int status = 0;
pid_t pid = fork();
if (0 == pid) {
printf("child process\n");
sleep(3);
// 父進(jìn)程會得到 exit 的退出狀態(tài)碼
exit(0);
} else if(pid > 0) {
// 等待子進(jìn)程返回扶关，wait 運(yùn)行成功返回子進(jìn)程 PID
if (pid == wait(&status))
printf("child has run ok status = %d, parent processing...\n", status);
}
return 0;
}
編譯運(yùn)行：
# 編譯
gcc test_wait.c -o test_wait
# 運(yùn)行
./test_wait
child process
child has run ok status = 0, parent processing...
可以看到父進(jìn)程成功等待了子進(jìn)程 3 s，并得到了存儲在 status 中的返回值数冬，這個 status 有 2 種狀態(tài)：
- 如果子進(jìn)程調(diào)用 exit 退出节槐，那么內(nèi)核將 exit 的退出狀態(tài)碼放在 status 中
- 如果進(jìn)程被殺死，內(nèi)核將信號序列放在 status 中
實際使用時拐纱，wait 提供了相關(guān)的宏來判斷 status 的狀態(tài)铜异，詳情參考 man wait。另外 waitpid 與 wait 幾乎的相同的秸架，作為鍛煉揍庄，就留給你自己去學(xué)習(xí)吧，參考 man waitpid东抹。
進(jìn)程結(jié)束
既然能夠創(chuàng)建進(jìn)程蚂子，那肯定能夠結(jié)束進(jìn)程沃测，在 Linux 中進(jìn)程退出又分為正常和異常退出，分別來了解了解食茎。
正常退出
有 5 種正常退出進(jìn)程的方法：
- 在 main 內(nèi)執(zhí)行
return芽突，等價于調(diào)用 exit - 調(diào)用
exit - 調(diào)用
_exit或_Exit - 進(jìn)程的最后一個線程在其啟動例程中執(zhí)行 return 語句
- 進(jìn)程的最后一個線程調(diào)用
pthread_exit函數(shù)
異常終止
有 3 種異常終止的方法：
- 調(diào)用
abort，產(chǎn)生SIGABRT信號 - 當(dāng)進(jìn)程接受到某些信號時
- 最后一個線程對「取消」請求作出響應(yīng)
不管是哪種終止情況董瞻，我們都可以使用 wait 或者 waitpid 來得到子進(jìn)程的退出狀態(tài)寞蚌。
拓展：在 Linux 內(nèi)核中查看 fork 執(zhí)行流程
為了加深對 Linux 進(jìn)程的理解，下面就來簡單了解下 fork 在內(nèi)核中的具體調(diào)用過程钠糊。建議你用源碼查看工具來跟蹤源碼挟秤，我使用的是 Linux-2.6 的源碼，要跟蹤的文件是 kernel/fork.c抄伍，創(chuàng)建進(jìn)程的總體過程如下圖所示：
總體的流程是創(chuàng)建一個新的任務(wù)（task_struct）艘刚，然后拷貝相關(guān)的進(jìn)程信息，最后喚醒這個進(jìn)程和后續(xù)的準(zhǔn)備工作截珍，其中最重要的是 copy_process 這個函數(shù)攀甚，來看看它的具體執(zhí)行過程：
主要的流程就是先使用 dup_task_struct 復(fù)制一個進(jìn)程結(jié)構(gòu)，然后初始化這個進(jìn)程信息岗喉，再拷貝父進(jìn)程的相關(guān)信息秋度，最后 sched_fork 調(diào)度進(jìn)程。
整個過程大體上就是這樣钱床，具體的細(xì)節(jié)有興趣可以深入的跟蹤荚斯，這里就介紹這些了。
結(jié)語
本次我們學(xué)習(xí)了 Linux 中非常重要的進(jìn)程控制查牌，其中非常重要的是 fork 這個函數(shù)事期，因為我們就是用這個函數(shù)來創(chuàng)建進(jìn)程的，另外我們也在內(nèi)核中分析了 fork 的具體實現(xiàn)過程纸颜，希望通過這篇文章能夠讓你對 Linux 的進(jìn)程有一個更加完整的了解和學(xué)習(xí)兽泣，希望你能認(rèn)真實踐。
最后胁孙，感謝你的閱讀唠倦，我們下次再見 :)
