一、引言
對(duì)于沒(méi)有接觸過(guò)Unix/Linux操作系統(tǒng)的人來(lái)說(shuō)，fork是最難理解的概念之一：它執(zhí)行一次卻返回兩個(gè)值。fork函數(shù)是Unix系統(tǒng)最杰出的成就之一，它是七十年代UNIX早期的開(kāi)發(fā)者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期在理論和實(shí)踐上的艱苦探索后取得的成果，一方面，它使操作系統(tǒng)在進(jìn)程管理上付出了最小的代價(jià)，另一方面，又為程序員提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔明了的多進(jìn)程方法。與DOS和早期的Windows不同，Unix/Linux系統(tǒng)是真正實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作的系統(tǒng)，可以說(shuō)，不使用多進(jìn)程編程，就不能算是真正的Linux環(huán)境下編程。

多線程程序設(shè)計(jì)的概念早在六十年代就被提出，但直到八十年代中期，Unix系統(tǒng)中才引入多線程機(jī)制，如今，由于自身的許多優(yōu)點(diǎn)，多線程編程已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

下面，我們將介紹在Linux下編寫(xiě)多進(jìn)程和多線程程序的一些初步知識(shí)。

二、多進(jìn)程編程
什么是一個(gè)進(jìn)程？進(jìn)程這個(gè)概念是針對(duì)系統(tǒng)而不是針對(duì)用戶的，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，他面對(duì)的概念是程序。當(dāng)用戶敲入命令執(zhí)行一個(gè)程序的時(shí)候，對(duì)系統(tǒng)而言，它將啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程。但和程序不同的是，在這個(gè)進(jìn)程中，系統(tǒng)可能需要再啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程來(lái)完成獨(dú)立的多個(gè)任務(wù)。多進(jìn)程編程的主要內(nèi)容包括進(jìn)程控制和進(jìn)程間通信，在了解這些之前，我們先要簡(jiǎn)單知道進(jìn)程的結(jié)構(gòu)。

2.1 Linux下進(jìn)程的結(jié)構(gòu)
Linux下一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)存里有三部分的數(shù)據(jù)，就是"代碼段"、"堆棧段"和"數(shù)據(jù)段"。其實(shí)學(xué)過(guò)匯編語(yǔ)言的人一定知道，一般的CPU都有上述三種段寄存器，以方便操作系統(tǒng)的運(yùn)行。這三個(gè)部分也是構(gòu)成一個(gè)完整的執(zhí)行序列的必要的部分。

"代碼段"，顧名思義，就是存放了程序代碼的數(shù)據(jù)，假如機(jī)器中有數(shù)個(gè)進(jìn)程運(yùn)行相同的一個(gè)程序，那么它們就可以使用相同的代碼段。"堆棧段"存放的就是子程序的返回地址、子程序的參數(shù)以及程序的局部變量。而數(shù)據(jù)段則存放程序的全局變量，常數(shù)以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分配的數(shù)據(jù)空間（比如用malloc之類(lèi)的函數(shù)取得的空間）。這其中有許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，這里限于篇幅就不多介紹了。系統(tǒng)如果同時(shí)運(yùn)行數(shù)個(gè)相同的程序，它們之間就不能使用同一個(gè)堆棧段和數(shù)據(jù)段。

2.2 Linux下的進(jìn)程控制
在傳統(tǒng)的Unix環(huán)境下，有兩個(gè)基本的操作用于創(chuàng)建和修改進(jìn)程：函數(shù)fork( )用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，該進(jìn)程幾乎是當(dāng)前進(jìn)程的一個(gè)完全拷貝；函數(shù)族e(cuò)xec( )用來(lái)啟動(dòng)另外的進(jìn)程以取代當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程。Linux的進(jìn)程控制和傳統(tǒng)的Unix進(jìn)程控制基本一致，只在一些細(xì)節(jié)的地方有些區(qū)別，例如在Linux系統(tǒng)中調(diào)用vfork和fork完全相同，而在有些版本的Unix系統(tǒng)中，vfork調(diào)用有不同的功能。由于這些差別幾乎不影響我們大多數(shù)的編程，在這里我們不予考慮。

2.2.1 fork（）
fork在英文中是"分叉"的意思。為什么取這個(gè)名字呢？因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程在運(yùn)行中，如果使用了fork，就產(chǎn)生了另一個(gè)進(jìn)程，于是進(jìn)程就"分叉"了，所以這個(gè)名字取得很形象。下面就看看如何具體使用fork，這段程序演示了使用fork的基本框架：

程序運(yùn)行后，你就能看到屏幕上交替出現(xiàn)子進(jìn)程與父進(jìn)程各打印出的一千條信息了。如果程序還在運(yùn)行中，你用ps命令就能看到系統(tǒng)中有兩個(gè)它在運(yùn)行了。

那么調(diào)用這個(gè)fork函數(shù)時(shí)發(fā)生了什么呢？fork函數(shù)啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程，前面我們說(shuō)過(guò)，這個(gè)進(jìn)程幾乎是當(dāng)前進(jìn)程的一個(gè)拷貝：子進(jìn)程和父進(jìn)程使用相同的代碼段；子進(jìn)程復(fù)制父進(jìn)程的堆棧段和數(shù)據(jù)段。這樣，父進(jìn)程的所有數(shù)據(jù)都可以留給子進(jìn)程，但是，子進(jìn)程一旦開(kāi)始運(yùn)行，雖然它繼承了父進(jìn)程的一切數(shù)據(jù)，但實(shí)際上數(shù)據(jù)卻已經(jīng)分開(kāi)，相互之間不再有影響了，也就是說(shuō)，它們之間不再共享任何數(shù)據(jù)了。它們?cè)僖换バ畔r(shí)，只有通過(guò)進(jìn)程間通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，這將是我們下面的內(nèi)容。既然它們?nèi)绱讼嘞?，系統(tǒng)如何來(lái)區(qū)分它們呢？這是由函數(shù)的返回值來(lái)決定的。對(duì)于父進(jìn)程， fork函數(shù)返回了子程序的進(jìn)程號(hào)，而對(duì)于子程序，fork函數(shù)則返回零。在操作系統(tǒng)中，我們用ps函數(shù)就可以看到不同的進(jìn)程號(hào)，對(duì)父進(jìn)程而言，它的進(jìn)程號(hào)是由比它更低層的系統(tǒng)調(diào)用賦予的，而對(duì)于子進(jìn)程而言，它的進(jìn)程號(hào)即是fork函數(shù)對(duì)父進(jìn)程的返回值。在程序設(shè)計(jì)中，父進(jìn)程和子進(jìn)程都要調(diào)用函數(shù)fork（）下面的代碼，而我們就是利用fork（）函數(shù)對(duì)父子進(jìn)程的不同返回值用if...else...語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)讓父子進(jìn)程完成不同的功能，正如我們上面舉的例子一樣。我們看到，上面例子執(zhí)行時(shí)兩條信息是交互無(wú)規(guī)則的打印出來(lái)的，這是父子進(jìn)程獨(dú)立執(zhí)行的結(jié)果，雖然我們的代碼似乎和串行的代碼沒(méi)有什么區(qū)別。

讀者也許會(huì)問(wèn)，如果一個(gè)大程序在運(yùn)行中，它的數(shù)據(jù)段和堆棧都很大，一次fork就要復(fù)制一次，那么fork的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)不是很大嗎？其實(shí)UNIX自有其解決的辦法，大家知道，一般CPU都是以"頁(yè)"為單位來(lái)分配內(nèi)存空間的，每一個(gè)頁(yè)都是實(shí)際物理內(nèi)存的一個(gè)映像，象INTEL的CPU，其一頁(yè)在通常情況下是 4086字節(jié)大小，而無(wú)論是數(shù)據(jù)段還是堆棧段都是由許多"頁(yè)"構(gòu)成的，fork函數(shù)復(fù)制這兩個(gè)段，只是"邏輯"上的，并非"物理"上的，也就是說(shuō)，實(shí)際執(zhí)行fork時(shí)，物理空間上兩個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)段和堆棧段都還是共享著的，當(dāng)有一個(gè)進(jìn)程寫(xiě)了某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，這時(shí)兩個(gè)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)才有了區(qū)別，系統(tǒng)就將有區(qū)別的" 頁(yè)"從物理上也分開(kāi)。系統(tǒng)在空間上的開(kāi)銷(xiāo)就可以達(dá)到最小。

下面演示一個(gè)足以"搞死"Linux的小程序，其源代碼非常簡(jiǎn)單：

這個(gè)程序什么也不做，就是死循環(huán)地fork，其結(jié)果是程序不斷產(chǎn)生進(jìn)程，而這些進(jìn)程又不斷產(chǎn)生新的進(jìn)程，很快，系統(tǒng)的進(jìn)程就滿了，系統(tǒng)就被這么多不斷產(chǎn)生 的進(jìn)程"撐死了"。當(dāng)然只要系統(tǒng)管理員預(yù)先給每個(gè)用戶設(shè)置可運(yùn)行的最大進(jìn)程數(shù)，這個(gè)惡意的程序就完成不了企圖了。

2.2.2 exec( )函數(shù)族
下面我們來(lái)看看一個(gè)進(jìn)程如何來(lái)啟動(dòng)另一個(gè)程序的執(zhí)行。在Linux中要使用exec函數(shù)族。系統(tǒng)調(diào)用execve（）對(duì)當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)行替換，替換者為一個(gè)指定的程序，其參數(shù)包括文件名（filename）、參數(shù)列表（argv）以及環(huán)境變量（envp）。exec函數(shù)族當(dāng)然不止一個(gè)，但它們大致相同，在 Linux中，它們分別是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp，下面我只以execlp為例，其它函數(shù)究竟與execlp有何區(qū)別，請(qǐng)通過(guò)manexec命令來(lái)了解它們的具體情況。

一個(gè)進(jìn)程一旦調(diào)用exec類(lèi)函數(shù)，它本身就"死亡"了，系統(tǒng)把代碼段替換成新的程序的代碼，廢棄原有的數(shù)據(jù)段和堆棧段，并為新程序分配新的數(shù)據(jù)段與堆棧段，唯一留下的，就是進(jìn)程號(hào)，也就是說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)而言，還是同一個(gè)進(jìn)程，不過(guò)已經(jīng)是另一個(gè)程序了。（不過(guò)exec類(lèi)函數(shù)中有的還允許繼承環(huán)境變量之類(lèi)的信息。）

那么如果我的程序想啟動(dòng)另一程序的執(zhí)行但自己仍想繼續(xù)運(yùn)行的話，怎么辦呢？那就是結(jié)合fork與exec的使用。下面一段代碼顯示如何啟動(dòng)運(yùn)行其它程序：

此程序從終端讀入命令并執(zhí)行之，執(zhí)行完成后，父進(jìn)程繼續(xù)等待從終端讀入命令。熟悉DOS和WINDOWS系統(tǒng)調(diào)用的朋友一定知道DOS/WINDOWS也有exec類(lèi)函數(shù)，其使用方法是類(lèi)似的，但DOS/WINDOWS還有spawn類(lèi)函數(shù)，因?yàn)镈OS是單任務(wù)的系統(tǒng)，它只能將"父進(jìn)程"駐留在機(jī)器內(nèi)再執(zhí)行"子進(jìn)程"，這就是spawn類(lèi)的函數(shù)。WIN32已經(jīng)是多任務(wù)的系統(tǒng)了，但還保留了spawn類(lèi)函數(shù)，WIN32中實(shí)現(xiàn)spawn函數(shù)的方法同前述 UNIX中的方法差不多，開(kāi)設(shè)子進(jìn)程后父進(jìn)程等待子進(jìn)程結(jié)束后才繼續(xù)運(yùn)行。UNIX在其一開(kāi)始就是多任務(wù)的系統(tǒng)，所以從核心角度上講不需要spawn類(lèi)函數(shù)。

在這一節(jié)里，我們還要講講system（）和popen（）函數(shù)。system（）函數(shù)先調(diào)用fork（），然后再調(diào)用exec（）來(lái)執(zhí)行用戶的登錄 shell，通過(guò)它來(lái)查找可執(zhí)行文件的命令并分析參數(shù)，最后它么使用wait（）函數(shù)族之一來(lái)等待子進(jìn)程的結(jié)束。函數(shù)popen（）和函數(shù) system（）相似，不同的是它調(diào)用pipe（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)管道，通過(guò)它來(lái)完成程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出。這兩個(gè)函數(shù)是為那些不太勤快的程序員設(shè)計(jì)的，在效率和安全方面都有相當(dāng)?shù)娜毕荩诳赡艿那闆r下，應(yīng)該盡量避免。

最新評(píng)論