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linux程式設計之程序控制

阿新 • • 發佈：2019-01-30

（一）fork

  #include <unistd.h>
  pid_t fork(void);

返回值：有兩個，一個是子程序的ID,另一個為零。當返回值為0時，進入子程序,大於0進入父程序，返回-1時建立程序錯誤。

子程序與父程序的比較：
（1）子程序與父程序的程序ID不同。且父程序ID不同。
（2）記憶體佈局： 子程序是父程序的副本，其中子程序的資料空間，堆，棧是父程序的副本，但是共享真正文段。
（3）執行順序：子程序與父程序執行順序不確定，取決於核心所使用的排程演算法。
（4）檔案共享：父程序所有開啟的檔案描述符都會賦值到子程序，父程序與子程序每個相同的開啟檔案描述符共享一個檔案表項。即子程序操作檔案直接影響父程序對該檔案的操作，最明顯的是檔案偏移量收到影響。其圖如下所示：

例如：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int x = 33,y = 44;

    pid_t pid;

    if( (pid = fork()) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        x ++;
        y ++;
        printf("child ： x = %d  y = %d\n",x,y);
        exit( EXIT_SUCCESS);
    }
    wait();
    printf("parent: x = %d y = %d\n",x,y);

    return 0;
}
fork的使用場景：

（1）父程序希望複製自己，使得父程序和子程序同時執行不同的程式碼段，即在網路服務中是最常見的，父程序等待客戶端的服務請求，當請求到來時，父程序fork一個子程序來處理子程序的請求，這時父程序可以繼續等待下一個服務請求。
（2）使得子程序執行一個不同的程式，需要fork一個子程序，在此子程序中執行exec執行新的程式。

（二)vfork函式

 #include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
 pid_t vfork(void);

返回值為：與fork幾乎相同

與fork函式的不同：

（1）vfork一般是建立一個程序來執行exec函式，即執行一個新的程式。


（2）vfork中，子程序不將父程序的地址空間完全複製到子程序中，其子程序在父程序空間中執行。
（3）vfork保證子程序先執行，父程序等待子程序執行完成後在再執行。
（4）vfork子程序的資源與父程序是共用的，因此父程序中變數經過子程序的對其的改變則父程序也會改變。
例如： 

//注意與上個fork的例子進行比較
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int x = 33,y = 44;
    pid_t pid;

    if( (pid = vfork() ) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        x++;
        y++;
        printf("child : x = %d y = %d\n",x,y);
        exit(0);
    }
    wait();
    printf("parent : x = %d y = %d\n",x,y);

    return 0;
}

(三)wait函式

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/wait.h>

   pid_t wait(int *status);

該函式的都是等待子程序的退出，如果成功返回退出程序的ID，如果出錯返回-1。

（1）呼叫wait函式
  • 如果所有的子程序都在執行，則此時父程序阻塞。
  • 如果一個子程序終止，等待的父程序立即獲取其終止狀態並立即返回。
  • 如果沒有任何子程序則出錯返回。
（2）獲得終止狀態
  • WIFEXITED(status) 判斷子程序是否正常終止。若為正常終止則是真，可以執行WEXITSTATUS(status)來獲得子程序傳送給exit或者_exit引數低8位。
  • WIFSIGNALED(status) 判斷是否為異常終止，若為異常終止則為真，可以用WTERMSIG(status)獲得子程序終止的訊號編號。
  • WIFSTOPPED(status) 判斷子程序暫停，暫停則是真。可以使用WSTOPSIG(status)獲得子程序暫停的訊號編號。

例如： 

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
void pr_exit(int status)
{
    if( WIFEXITED(status) )//判斷是否正常終止
    {
        printf("normal termination,exit,status = %d\n",WEXITSTATUS(status));
    }
    else if( WIFSIGNALED(status) ) //判斷該子程序是否異常終止
    {
        printf("abnormal termination ,signal number = %d\n",WTERMSIG(status));
    }
    else if( WIFSTOPPED(status) )//子程序暫停
    {
        printf("child stopped ,signal number = %d\n",WSTOPSIG(status));
    }
}
int main()
{
    pid_t pid;
    int status;
    if( ( pid = fork()) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        exit(7);
    }
    if( wait(&status) != pid )
    {
        perror("wait err\n");
    }
    pr_exit(status); 

    if( ( pid = fork()) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        abort();
    }
    if( wait(&status) != pid )
    {
        perror("wait err\n");
    }
    pr_exit(status)；   
    if( ( pid = fork()) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        status = status / 0;
    }
    if( wait(&status) != pid )
    {
        perror("wait err\n");
    }
    pr_exit(status)；
    return 0;
}

注意： 如果有多個子程序退出，而需要等待特定的子程序退出時，可以使用wait的返回值與某個期望的ID比較。

(三)waitpid函式

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/wait.h>
   pid_t  waitpid(pid_t   pid,   int   *status,   int
   options);
  • pid == -1 等待任一個程序，此情況和wait等效。
  • pid > 0 等待程序ID與pid相同的程序
  • pid == 0 等待組ID等於呼叫程序組ID的任一個子程序。
  • pid < -1 等待組ID等於pid絕對值的任一個子程序
  • options：可以進一步控制waitpid的操作，一般為0。

該函式的都是等待特定子程序的退出，如果成功返回退出程序的ID，如果出錯返回-1。

（1）呼叫waitpid函式
  • 等待特定的子程序終止。
  • 如果所有的子程序都在執行，則此時父程序阻塞。但是有一個選項可以使得不阻塞
（2）獲得終止狀態與wait相同
（四）exec函式
   #include <unistd.h>
   extern char **environ;
   int execl(const char *path, const char *arg, ...);
   int execv(const char *path, char *const argv[]);
   int execle(const char *path, const char *arg,    
              ..., char * const envp[]);
   int execlp(const  char  *file,  const  char  *arg,
   ...);
   int execvp(const char *file, char *const argv[]);
   int execvpe(const char *file, char *const argv[],
               char *const envp[]);
（1）當程序呼叫exec函式時，exec並不建立新的程序，前後ID不改變，該程序執行的程式被完全替代為exec新程式，新的程式從main函式開始執行，exec只是用磁碟上的一個新的程式替換了當前程序的證正文段，資料段，堆段和棧段。
（2）函式區別：
  • 字母p代表這些函式取filename作為引數。並且用PATH環境變數尋找可執行檔案。
  • 字母l表示函式取一個引數表，與字V互斥。
  • v表示該函式取argv[]向量。
  • 字母e表示函式取envp[]陣列，而不適用當前的環境。

例如： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
char * env_init[] = {"USER=unkonwn","PATH=/tmp",NULL};
int main()
{
    pid_t pid;

    if( (pid = fork()) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        if( (execle("/home/kaye/APUE/unit8/show","arg1","arg2","arg3",(char*)0,env_init)) < 0 )
        {
            perror("execle err\n");
            exit(1);
        }
    }
    if( waitpid( pid,NULL,0) != pid )
    {
        perror("waitpid fail\n");
        exit(3);
    }
    if( (pid = fork()) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(2);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        if( execlp("show","arg4","arg5","arg6",(char *)0)  < 0 )
        {//必須把該可執行檔案的路徑加入到環境變數中，這樣才能找到該可執行檔案
            perror("execlp err\n");
            exit(3);
        }
    }
    return 0;
}

（五）典型的程序

（1）孤兒程序

產生原因： 父程序終止，子程序會被Init程序收養，此時的子程序就是孤兒程序。

產生過程： 程序終止時，核心逐個檢查所有活動程序，以判斷他是否是正要終止程序的子程序，如果是，則該程序的父程序，ID就更改為1，這樣就保證了每個程序的都有一個父程序。

（2）僵死程序

產生原因：一個程序已經終止，但是其父程序，尚未對其進行善後處理（獲取終止子程序的有關資訊，釋放他仍佔用的資源）的程序被稱為僵死程序。父程序沒有等待取得子程序的終止狀態。

避免方法： 核心為每個終止子程序儲存了一定量的資訊，所以當終止程序的父程序呼叫wait或waitpid時，可以得到這些資訊，這些資訊包括程序ID,程序的終止狀態，以及程序使用的CPU時間總量。

注意：如果一個孤兒程序終止時會成為僵死程序麼？：其實是不會的，原因為init程序中的子程序終止時，init會呼叫一個wait函式取得其終止狀態，這樣可以防止產生僵死程序。

例如： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> 
int main()
{
    pid_t pid ;
    if( ( pid = fork() ) == -1 )
    {
        perror("fork err\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        printf("aaaa\n");
        exit(1);
    }
    else 
    {
        system("ps");//此時僵死程序
        wait();
        system("ps");//經過wait後，沒有僵死程序
        sleep (2);
    }
    return 0;
}

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