Android C++系列：Linux进程(二)

「这是我参与11月更文挑战的第22天，活动详情查看：2021最后一次更文挑战」。

1. fork

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

子进程复制父进程的0到3g空间和父进程内核中的PCB，但id号不同。 fork调用一次返回两次

父进程中返回子进程ID
子进程中返回0
读时共享，写时复制

#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h>
int main(void) {
	pid_t pid; 
	char *message; 
	int n;
	pid = fork(); 
	if (pid < 0) {
		perror("fork failed");
		exit(1); 
	}
	if (pid == 0) {
		message = "This is the child\n"; 
		n = 6;
	} else {
		message = "This is the parent\n"; 
		n = 3;
	}
	for(; n > 0; n--) {
		printf(message);
		sleep(1); 
	}
	return 0; 
 }

1.1 进程相关函数

#include <sys/types.h> #include <unistd.h>
pid_t getpid(void); //返回调用进程的PID号
pid_t getppid(void); //返回调用进程父进程的PID号

getpid/gteppid

#include <unistd.h> 
#include <sys/types.h>
uid_t getuid(void); //返回实际用户ID 
uid_t geteuid(void); //返回有效用户ID

getuid

#include <unistd.h> 
#include <sys/types.h>
gid_t getgid(void); //返回实际用户组ID 
gid_t getegid(void); //返回有效用户组ID

getgid

vfork

用于fork后马上调用exec函数
父子进程，共用同一地址空间,子进程如果没有马上exec而是修改了父进程出得到的变量值，此修改会在父进程中生效
设计初衷，提高系统效率，减少不必要的开销
现在fork已经具备读时共享写时复制机制，vfork逐渐废弃

2. exec族

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支)，子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换，从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程，所以调用exec前后该进程的id并未改变。

其实有六种以exec开头的函数，统称exec函数:

#include <unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]); 
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行，不再返回，如果调用出错则返回-1，所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

这些函数原型看起来很容易混，但只要掌握了规律就很好记。不带字母p(表示 path)的exec函数第一个参数必须是程序的相对路径或绝对路径，例如“/bin/ls”或“./ a.out”，而不能是“ls”或“a.out”。对于带字母p的函数:

如果参数中包含/，则将其视为路径名。否则视为不带路径的程序名，在PATH环境变量的目录列表中搜索这个程序。带有字母l(表示list)的exec函数要求将新程序的每个命令行参数都当作一个参数传

给它，命令行参数的个数是可变的，因此函数原型中有...，...中的最后一个可变参数应该是 NULL，起sentinel的作用。对于带有字母v(表示vector)的函数，则应该先构造一个指向各参数的指针数组，然后将该数组的首地址当作参数传给它，数组中的最后一个指针也应该是NULL，就像main函数的argv参数或者环境变量表一样。

对于以e(表示environment)结尾的exec函数，可以把一份新的环境变量表传给它，其他exec函数仍使用当前的环境变量表执行新程序。

exec调用举例如下:

char *const ps_argv[] ={"ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL}; 
char *const ps_envp[] ={"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL}; 
execl("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL); 
execv("/bin/ps", ps_argv);
execle("/bin/ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL, ps_envp); execve("/bin/ps", ps_argv, ps_envp);
execlp("ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL);
execvp("ps", ps_argv);

事实上，只有execve是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用execve，所以execve 在man手册第2节，其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示。

一个完整的例子:

#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h>
int main(void) {
	execlp("ps", "ps", "-o", "pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm", NULL); 
	perror("exec ps");
	exit(1);
}

由于exec函数只有错误返回值，只要返回了一定是出错了，所以不需要判断它的返回值，直接在后面调用perror即可。注意在调用execlp时传了两个“ps”参数，第一个“ps”是程序名，execlp函数要在PATH环境变量中找到这个程序并执行它，而第二个“ps”是第一个命令行参数，execlp函数并不关心它的值，只是简单地把它传给ps程序，ps程序可以通过main函数的argv[0]取到这个参数。

调用exec后，原来打开的文件描述符仍然是打开的。利用这一点可以实现I/O重定向。先看一个简单的例子，把标准输入转成大写然后打印到标准输出:

例 upper

/* upper.c */ #include <stdio.h>
int main(void) {
	int ch;
	while((ch = getchar()) != EOF) {
		putchar(toupper(ch)); 
	}
	return 0; 
}

例 wrapper

/* wrapper.c */ 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
	int fd;
	if (argc != 2) {
		fputs("usage: wrapper file\n", stderr);
		exit(1); 
	}
	fd = open(argv[1], O_RDONLY); 
	if(fd<0) {
		perror("open");
		exit(1); 
	}
	dup2(fd, STDIN_FILENO); 
	close(fd);
	execl("./upper", "upper", NULL); 
	perror("exec ./upper");
	exit(1); 
}

wrapper程序将命令行参数当作文件名打开，将标准输入重定向到这个文件，然后调用 exec执行upper程序，这时原来打开的文件描述符仍然是打开的，upper程序只负责从标准输入读入字符转成大写，并不关心标准输入对应的是文件还是终端。运行结果如下:

l 命令行参数列表
p 搜素file时使用path变量
v 使用命令行参数数组
e 使用环境变量数组,不使用进程原有的环境变量，设置新加载程序运行的环境变量

3. 总结

本文介绍了进程原语：fork和exec。 fork调用一次返回两次：父进程中返回子进程ID ；子进程中返回0；读时共享，写时复制。