Linux 操作系統(tǒng)緊緊依賴(lài)進(jìn)程創(chuàng)建來(lái)滿足用戶(hù)的需求。例如，只要用戶(hù)輸入一條命令，shell 進(jìn)程就創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，新進(jìn)程運(yùn)行 shell 的另一個(gè)拷貝并執(zhí)行用戶(hù)輸入的命令。Linux 系統(tǒng)中通過(guò) fork/vfork 系統(tǒng)調(diào)用來(lái)創(chuàng)建新進(jìn)程。本文將介紹如何使用 fork/vfork 系統(tǒng)調(diào)用來(lái)創(chuàng)建新進(jìn)程并使用 exec 族函數(shù)在新進(jìn)程中執(zhí)行任務(wù)。

fork 系統(tǒng)調(diào)用

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，最基本的系統(tǒng)調(diào)用是 fork：

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

調(diào)用 fork 時(shí)，系統(tǒng)將創(chuàng)建一個(gè)與當(dāng)前進(jìn)程相同的新進(jìn)程。通常將原有的進(jìn)程稱(chēng)為父進(jìn)程，把新創(chuàng)建的進(jìn)程稱(chēng)為子進(jìn)程。子進(jìn)程是父進(jìn)程的一個(gè)拷貝，子進(jìn)程獲得同父進(jìn)程相同的數(shù)據(jù)，但是同父進(jìn)程使用不同的數(shù)據(jù)段和堆棧段。子進(jìn)程從父進(jìn)程繼承大多數(shù)的屬性，但是也修改一些屬性，下表對(duì)比了父子進(jìn)程間的屬性差異：

繼承屬性	差異
uid,gid,euid,egid	進(jìn)程 ID
進(jìn)程組 ID	父進(jìn)程 ID
SESSION ID	子進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間記錄
所打開(kāi)文件及文件的偏移量	父進(jìn)程對(duì)文件的鎖定
控制終端	?
設(shè)置用戶(hù) ID 和 設(shè)置組 ID 標(biāo)記位	?
根目錄與當(dāng)前目錄	?
文件默認(rèn)創(chuàng)建的權(quán)限掩碼	?
可訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)段	?
環(huán)境變量及其它資源分配	?

下面是一個(gè)常見(jiàn)的演示 fork 工作原理的 demo(筆者的環(huán)境為 Ubuntu 16.04 desktop)：

#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){printf("This is the child process. My PID is: %d. My PPID is: %d.\n", getpid(), getppid());}else{printf("This is the parent process. My PID is %d.\n", getpid());}return 0;
}

把上面的代碼保存到文件 forkdemo.c 文件中，并執(zhí)行下面的命令編譯：

$ gcc forkdemo.c -o forkdemo

然后運(yùn)行編譯出來(lái)的 forkdemo 程序：

$ ./forkdemo

fork 函數(shù)的特點(diǎn)是 "調(diào)用一次，返回兩次"：在父進(jìn)程中調(diào)用一次，在父進(jìn)程和子進(jìn)程中各返回一次。在父進(jìn)程中返回時(shí)的返回值為子進(jìn)程的 PID，而在子進(jìn)程中返回時(shí)的返回值為 0，并且返回后都將執(zhí)行 fork 函數(shù)調(diào)用之后的語(yǔ)句。如果 fork 函數(shù)調(diào)用失敗，則返回值為 -1。
我們細(xì)想會(huì)發(fā)現(xiàn)，fork 函數(shù)的返回值設(shè)計(jì)還是很高明的。在子進(jìn)程中 fork 函數(shù)返回 0，那么子進(jìn)程仍然可以調(diào)用 getpid 函數(shù)得到自己的 PID，也可以調(diào)用 getppid 函數(shù)得到父進(jìn)程 PID。在父進(jìn)程中用 getpid 函數(shù)可以得到自己的 PID，如果想得到子進(jìn)程的PID，唯一的辦法就是把 fork 函數(shù)的返回值記錄下來(lái)。
注意：執(zhí)行 forkdemo 程序時(shí)的輸出是會(huì)發(fā)生變化的，可能先打印父進(jìn)程的信息，也可能先打印子進(jìn)程的信息。

vfork 系統(tǒng)調(diào)用

vfork 系統(tǒng)調(diào)用和 fork 系統(tǒng)調(diào)用的功能基本相同。vfork 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建的進(jìn)程共享其父進(jìn)程的內(nèi)存地址空間，但是并不完全復(fù)制父進(jìn)程的數(shù)據(jù)段，而是和父進(jìn)程共享其數(shù)據(jù)段。為了防止父進(jìn)程重寫(xiě)子進(jìn)程需要的數(shù)據(jù)，父進(jìn)程會(huì)被 vfork 調(diào)用阻塞，直到子進(jìn)程退出或執(zhí)行一個(gè)新的程序。由于調(diào)用 vfork 函數(shù)時(shí)父進(jìn)程被掛起，所以如果我們使用 vfork 函數(shù)替換 forkdemo 中的 fork 函數(shù)，那么執(zhí)行程序時(shí)輸出信息的順序就不會(huì)變化了。

使用 vfork 創(chuàng)建的子進(jìn)程一般會(huì)通過(guò) exec 族函數(shù)執(zhí)行新的程序。接下來(lái)讓我們先了解下 exec 族函數(shù)。

exec 族函數(shù)

使用 fork/vfork 創(chuàng)建子進(jìn)程后執(zhí)行的是和父進(jìn)程相同的程序（但有可能執(zhí)行不同的代碼分支），子進(jìn)程往往需要調(diào)用一個(gè) exec 族函數(shù)以執(zhí)行另外一個(gè)程序。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用 exec 族函數(shù)時(shí)，該進(jìn)程的用戶(hù)空間代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換，從新程序的起始處開(kāi)始執(zhí)行。調(diào)用 exec 族函數(shù)并不創(chuàng)建新進(jìn)程，所以調(diào)用 exec 族函數(shù)前后該進(jìn)程的 PID 并不改變。

exec 族函數(shù)一共有六個(gè)：

#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[]);

函數(shù)名字中帶字母 "l" 的表示其參數(shù)個(gè)數(shù)不確定，帶字母 "v" 的表示使用字符串?dāng)?shù)組指針 argv 指向參數(shù)列表。
函數(shù)名字中含有字母 "p" 的表示可以自動(dòng)在環(huán)境變量 PATH 指定的路徑中搜索要執(zhí)行的程序。
函數(shù)名字中含有字母 "e" 的函數(shù)比其它函數(shù)多一個(gè)參數(shù) envp。該參數(shù)是字符串?dāng)?shù)組指針，用于指定環(huán)境變量。調(diào)用這樣的函數(shù)時(shí)，可以由用戶(hù)自行設(shè)定子進(jìn)程的環(huán)境變量，存放在參數(shù) envp 所指向的字符串?dāng)?shù)組中。

事實(shí)上，只有 execve 是真正的系統(tǒng)調(diào)用，其它五個(gè)函數(shù)最終都調(diào)用 execve。這些函數(shù)之間的關(guān)系如下圖所示(此圖來(lái)自互聯(lián)網(wǎng))：

exec 族函數(shù)的特征：調(diào)用 exec 族函數(shù)會(huì)把新的程序裝載到當(dāng)前進(jìn)程中。在調(diào)用過(guò) exec 族函數(shù)后，進(jìn)程中執(zhí)行的代碼就與之前完全不同了，所以 exec 函數(shù)調(diào)用之后的代碼是不會(huì)被執(zhí)行的。

在子進(jìn)程中執(zhí)行任務(wù)

下面讓我們通過(guò) vfork 和 execve 函數(shù)實(shí)現(xiàn)在子進(jìn)程中執(zhí)行 ls 命令：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{pid_t pid;if((pid=vfork()) < 0){printf("vfork error!\n");exit(1);}else if(pid==0){printf("Child process PID: %d.\n", getpid());char *argv[ ]={"ls", "-al", "/home", NULL};  char *envp[ ]={"PATH=/bin", NULL};if(execve("/bin/ls", argv, envp) < 0){printf("subprocess error");exit(1);}// 子進(jìn)程要么從 ls 命令中退出，要么從上面的 exit(1) 語(yǔ)句退出// 所以代碼的執(zhí)行路徑永遠(yuǎn)也走不到這里，下面的 printf 語(yǔ)句不會(huì)被執(zhí)行printf("You should never see this message.");}else{printf("Parent process PID: %d.\n", getpid());sleep(1);}return 0;
}

把上面的代碼保存到文件 subprocessdemo.c 文件中，并執(zhí)行下面的命令編譯：

$ gcc subprocessdemo.c -o subprocessdemo

然后運(yùn)行編譯出來(lái)的 subprocessdemo程序：

$ ./subprocessdemo

總結(jié)

fork/vfork 函數(shù)和 exec 族函數(shù)都是 Linux 系統(tǒng)中非常重要的概念。本文試圖通過(guò)簡(jiǎn)單的 demo 來(lái)演示這些函數(shù)的基本用法，為理解 Linux 系統(tǒng)中父進(jìn)程與子進(jìn)程的概念提供一些直觀的感受。

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參考：

Linux C 編程一站式學(xué)習(xí)
《Linux 環(huán)境下 C 編程指南》
《深入理解 Linux 內(nèi)核》

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/sparkdev/p/8214455.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux 创建子进程执行任务的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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