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tags: Linux OS Syscall C

写在前面

总结一下Linux系统的进程创建/终止/等待等系统调用, 参考:

1. Linux/Unix系统编程手册.

下面主要给出例子, 关于函数原型可以参考书中或者man 2 syscall(例如man 2 fork).

测试环境: Ubuntu 20.04 x86_64

gcc-9

进程创建: fork()

用于创建新的进程, 创建出来的新进程称为子进程, 拥有和父进程一样的代码段/数据段/栈段/堆段.

所以创建新进程的资源消耗较大, 后续采用多线程方式可以解决这个问题.

由于这个函数的设计比较奇怪, 有两个返回值, 在父进程中返回子进程的进程ID, 在子进程中返回0, 错误返回-1, 所以可以用下面的语句制定创建子进程之后的进一步操作:

pid_t childPid;switch (childPid = fork()) {case -1:/* error handling */case 0: // child process/* actions to child */default:/* actions to parent */
}

下面主要讨论数据共享和文件(句柄)共享, 为探讨进程间通信做准备.

数据共享

一个例子, 关于同时操作一份数据:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h> // pid_t
#include <unistd.h>    // fork
static int idata = 111;int main(int argc, char *argv[]) {pid_t childPId;int istack = 222;switch (childPId = fork()) {case -1:fprintf(stderr, "fork error\n");case 0:idata *= 3;istack *= 3;break;default:sleep(3);break;}printf("PID=%ld %s idata=%d istack=%d\n", (long)getpid(),(childPId == 0) ? "(child) " : "(parent)", idata, istack);/* PID=526436 (child)  idata=333 istack=666 *//* PID=526435 (parent) idata=111 istack=222 */return 0;
}

文件共享

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char* argv[]) {int fd, flags;char template[] = "/tmp/test-XXXXXX";setbuf(stdout, NULL);// 无缓冲fd = mkstemp(template);if (fd == -1) fprintf(stderr, "mkstemp");printf("File offset before fork: %lld\n",(long long)lseek(fd, 0, SEEK_CUR));flags = fcntl(fd, F_GETFL);if (flags == -1) fprintf(stderr, "fcntl - F_GETFL");printf("O_APPEND flag before fork() is %s\n",(flags & O_APPEND) ? "on" : "off");switch (fork()) {case -1:fprintf(stderr, "fork");case 0: // childif (lseek(fd, 1000, SEEK_SET) == -1) fprintf(stderr, "lseek");flags = fcntl(fd, F_GETFL);if (flags == -1) fprintf(stderr, "fcntl - F_GETFL");flags |= O_APPEND;if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1)fprintf(stderr, "fcntl - F_SETFL");_exit(EXIT_SUCCESS);default: // parentif (wait(NULL) == -1) fprintf(stderr, "wait");printf("child has exited\n");printf("file offset in parent is %lld\n",(long long)lseek(fd, 0, SEEK_CUR));flags = fcntl(fd, F_GETFL);if (flags == -1) fprintf(stderr, "fcntl - F_GETFL");printf("O_APPEND in parent is %s\n",(flags & O_APPEND) ? "on" : "off");exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}
/* :!cc fork-file-shared.c && ./a.out */
/* File offset before fork: 0 */
/* O_APPEND flag before fork() is off */
/* child has exited */
/* file offset in parent is 1000 */
/* O_APPEND in parent is on */

新进程创建-节约资源版: vfork()

最好不要用vfork

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[]) {int istack = 222;switch (vfork()) {case -1:fprintf(stderr, "vfork");exit(1);case 0: // childsleep(3);write(STDOUT_FILENO, "child executing\n", 16);istack *= 3;_exit(EXIT_SUCCESS);default:write(STDOUT_FILENO, "Parent executing\n", 17);printf("istack=%d\n", istack);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}
// 子进程对变量的修改影响了父进程的对应变量/* child executing */
/* Parent executing */
/* istack=666 */

子进程会共享父进程的内存, 父进程会一直挂起直到子进程终止或者调用exec

fork竞态条件与同步

竞态条件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[]) {int numChild, j;pid_t childPid;numChild = 100;setbuf(stdout, NULL); // 关闭缓存for (j = 0; j < numChild; ++j) {switch (childPid = fork()) {case -1:fprintf(stderr, "fork\n");case 0: // childprintf("%d child\n", j);_exit(EXIT_SUCCESS);default: // parentprintf("%d parent\n", j);wait(NULL);break;}}return 0;
}

几乎全是父进程先输出结果, 然后是子进程. 这就说明在Linux中fork执行之后会继续执行父进程, 而不是子进程.

不过, 这也取决于内核的调度算法实现.

所以不要对fork之后父子进程的执行顺序做任何假设, 如果一定要确保某一特定的执行顺序, 一定要采用某种进程间通信技术(同步技术), 例如: 文件锁, 信号量, 消息传送(基于管道, pipe).

使用信号机制解决进程竞态条件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#include <sys/types.h>#define BUF_SIZE 1000
#define SYNC_SIG SIGUSR1 /* Synchronization signal */static void /* Signal handler - does nothing but return */
handler(int sig) {}char *currTime(const char *format) {static char buf[BUF_SIZE]; /* Nonreentrant */time_t t;size_t s;struct tm *tm;t = time(NULL);tm = localtime(&t);if (tm == NULL) return NULL;s = strftime(buf, BUF_SIZE, (format != NULL) ? format : "%c", tm);return (s == 0) ? NULL : buf;
}int main(int argc, char *argv[]) {pid_t childPid;sigset_t blockMask, origMask, emptyMask;struct sigaction sa;setbuf(stdout, NULL); /* Disable buffering of stdout */sigemptyset(&blockMask);sigaddset(&blockMask, SYNC_SIG); /* Block signal */if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &blockMask, &origMask) == -1)fprintf(stderr, "sigprocmask");sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_RESTART;sa.sa_handler = handler;if (sigaction(SYNC_SIG, &sa, NULL) == -1) fprintf(stderr, "sigaction");switch (childPid = fork()) {case -1:fprintf(stderr, "fork");case 0: /* Child *//* Child does some required action here... */printf("[%s %ld] Child started - doing some work\n", currTime("%T"),(long)getpid());sleep(2); /* Simulate time spent doing some work *//* And then signals parent that it's done */printf("[%s %ld] Child about to signal parent\n", currTime("%T"),(long)getpid());if (kill(getppid(), SYNC_SIG) == -1) fprintf(stderr, "kill");/* Now child can do other things... */_exit(EXIT_SUCCESS);default: /* Parent *//* Parent may do some work here, and then waits for child tocomplete the required action */printf("[%s %ld] Parent about to wait for signal\n", currTime("%T"),(long)getpid());sigemptyset(&emptyMask);if (sigsuspend(&emptyMask) == -1 && errno != EINTR)fprintf(stderr, "sigsuspend");printf("[%s %ld] Parent got signal\n", currTime("%T"),(long)getpid());/* If required, return signal mask to its original state */if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &origMask, NULL) == -1)fprintf(stderr, "sigprocmask");exit(EXIT_SUCCESS);}
}/* :!cc fork-sig-sync.c -Wall && ./a.out */
/* [20:01:11 742971] Parent about to wait for signal */
/* [20:01:11 742977] Child started - doing some work */
/* [20:01:13 742977] Child about to signal parent */
/* [20:01:13 742971] Parent got signal */

进程终止

exit和_exit

#include <unistd.h>void _exit(int status); // syscall

status参数就是传入的终止状态.

#include <stdlib.h>void exit(int status); // libc

会依次执行下面三个步骤:

1. 调用退出处理程序: 通过atexit()和on_exit()注册的函数
2. 刷新stdio流缓冲区
3. 使用由status提供的值执行_exit()系统调用

执行return n;相当于执行exit(n);

进程终止后的细节

1. 关闭所有打开的文件描述符, 目录流, 信息目录描述符以及转换描述符
2. 释放进程持有的所有文件锁
3. 分离任何已连接的System V共享内存段
4. ...

注册退出处理程序

#include <stdlib.h>int atexit(void (*func)(void)); // 出错返回非零值, 不一定为-1

其中传入的参数为一个参数列表和返回值均为void的函数指针.

atexit函数会将传入的func函数指针加入到一个函数列表中, 进程终止时会调用该函数列表的所有函数.

以及一个类似的库函数: (可以传入状态)

#include<stdlib.h>int on_exit(void (*func)(int, void *), void *arg);

其中传入的参数为一个参数列表为int和指针, 返回值为void的函数指针.

例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>static void atexitFunc1(void) { printf("atexit func1 called\n"); }
static void atexitFunc2(void) { printf("atexit func2 called\n"); }static void onexitFunc(int exitStatus, void *arg) {printf("on_exit func called: status=%d, arg=%ld\n", exitStatus, (long)arg);
}int main(int argc, char *argv[]) {if (on_exit(onexitFunc, (void *)10)) fprintf(stderr, "on_exit 1\n");if (atexit(atexitFunc1)) fprintf(stderr, "atexit 1\n");if (atexit(atexitFunc2)) fprintf(stderr, "atexit 2\n");if (on_exit(onexitFunc, (void *)20)) fprintf(stderr, "on_exit 2\n");return 0;
}/* on_exit func called: status=0, arg=20 */
/* atexit func2 called */
/* atexit func1 called */
/* on_exit func called: status=0, arg=10 */

监控子进程

wait(): 等待子进程的基本调用

等待调用进程的任一子进程终止, 同时在status所指向的缓冲区中返回子进程的终止状态.

#include<sys/wait.h>pid_t wait(int *status);

wait()执行如下动作:

1. 如果调用进程(指父进程)的一个(先前未等待的)子进程已经终止, 调用将一直阻塞, 直至某个子进程终止. 如果调用时已有子进程终止, wait将立即返回
2. status非空, 则存入状态信息.
3. 内核将为父进程下所有子进程的运行总量追加进程CPU时间以及资源使用数据.
4. 将终止子进程的ID作为结果返回.

出错情况: (返回值为-1)

调用进程没有(先前未等待的)子进程, 此时errno置为ECHILD. 所以可以用下面代码检测所有子进程是否退出.

while (childPid = wait(NULL) != -1) continue;
if (errno != ECHILD) exit(1); // error

例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>
#define BUF_SIZE 1000
#define NUM 4
int times[NUM] = {0, 7, 1, 4};char *currTime(const char *format) {static char buf[BUF_SIZE]; /* Nonreentrant */time_t t;size_t s;struct tm *tm;t = time(NULL);tm = localtime(&t);if (tm == NULL) return NULL;s = strftime(buf, BUF_SIZE, (format != NULL) ? format : "%c", tm);return (s == 0) ? NULL : buf;
}int main(int argc, char *argv[]) {int numDead;pid_t childPid;int j;setbuf(stdout, NULL);for (j = 1; j < NUM; ++j) {switch (fork()) {case -1:fprintf(stderr, "fork\n");case 0:printf("[%s] child %d started with PID  %ld, sleeping %d ""seconds\n",currTime("%T"), j, (long)getpid(), times[j]);sleep(times[j]);_exit(0);default:break;}}numDead = 0;for (;;) {childPid = wait(NULL);if (childPid == -1) {if (errno == ECHILD) {printf("No more children -bye!\n");exit(0);} else {fprintf(stderr, "wait\n");}}numDead++;printf("[%s] wait() return child PID %ld (numDead=%d)\n",currTime("%T"), (long)childPid, numDead);}
}
/* [08:09:53] child 2 started with PID  825604, sleeping 1 seconds */
/* [08:09:53] child 1 started with PID  825603, sleeping 7 seconds */
/* [08:09:53] child 3 started with PID  825605, sleeping 4 seconds */
/* [08:09:54] wait() return child PID 825604 (numDead=1) */
/* [08:09:57] wait() return child PID 825605 (numDead=2) */
/* [08:10:00] wait() return child PID 825603 (numDead=3) */

waitpid(): 升级版的wait

wait存在以下的一些限制:

1. 如果父进程已经创建了多个子进程, 使用wait将无法等待某一个确定的 子进程完成, 只能按顺序等待下一个子进程终止.
2. 如果没有子进程退出, wait总是保持阻塞, 但是有时候会希望执行非阻塞等待.
3. 使用wait只能发现那些已终止的子进程, 对于子进程因为哪个信号终止或者已停止的子进程收到SIGCONT信号后恢复执行的情况不得而知.

#include <sys/wait.h>pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

其中, 返回值和status参数的描述与wait相同, 下面是参数pid的含义:

1. $pid>0$: 等待进程的PID为pid的子进程.
2. $pid=0$: 等待与调用进程(父进程)同一个进程组的所有子进程.
3. $pid<-1$: 等待进程组标识符与pid绝对值相等的所有子进程.
4. $pid=-1$: 等待任意子进程. wait(&status);等价于waitpid(-1, &status, 0);.

参数options是一个位掩码, 可以包含(按位或操作)0个或多个如下标志:

• WUNTRACED: 除了返回终止子进程的信息外, 还返回因信号而停止的子进程信息
• WCONTINUED: 返回因收到SIGCONT信号而恢复执行的已停止子进程的状态信息
• WNOHANG:
  • pid指定的子进程状态未改变, 返回, 不阻塞(poll,轮询), waitpid返回0.
  • 调用进程没有与pid匹配的子进程, 报错, errno=ECHILD.

程序的执行

execve: 将新程序加载到某一进程的内存空间

在这一过程中, 将丢弃旧有程序, 而进程的栈,数据以及堆内存都会被新程序的相应部件所替换.

在执行了各种C语言函数库的运行时启动代码以及程序的初始化代码之后, 新程序会从main()函数位置开始执行.

#include <unistd.h>int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);

例子:

// envargs.c
#include <stdio.h>extern char **environ;int main(int argc, char *argv[]) {int j;char **ep;for (j = 0; j < argc; ++j) printf("argv[%d]=%s\n", j, argv[j]);for (ep = environ; *ep != NULL; ++ep) printf("environ: %s\n", *ep);return 0;
}// execve-1.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[]) {char *argVec[10];char *envVec[] = {"a=b", "c=d", NULL};argVec[0] = strrchr(argv[1], '/');if (argVec[0] != NULL)argVec[0]++;elseargVec[0] = argv[1];argVec[1] = "hello";argVec[2] = "goodbye";argVec[3] = NULL;execve(argv[1], argVec, envVec);fprintf(stderr, "execve\n");return 0;
}

system: 执行系统命令

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main (int argc, char *argv[])
{system("ls | wc");/* 13      13     170 */return 0;
}