linux 多进程编程 大致总结

http://blog.csdn.net/zs634134578/article/details/20475741

问题聚焦：

进程是Linux操作系统环境的基础。

本篇讨论以下几个内容，同时也是面试经常被问到的一些问题：

1 复制进程映像的fork系统调用和替换进程映像的exec系列系统调用

2 僵尸进程

3 进程间通信的方式之一：管道

4 3种System V进程通信方式：信号量，消息队列和共享内存

fork系统调用

定义：

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#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

pid_t fork( void );

函数说明：

该函数每次调用返回两次
在父进程中返回的是子进程的PID，在子进程中返回的是0，由此判断当前进程是父进程还是子进程（返回值是0的为子进程）

作用：

fork函数复制当前进程
子进程的代码和父进程完全相同
子进程复制父进程的大部分数据（堆数据，栈数据，静态数据）
写时复制
父进程中打开的文件描述符等在子进程中默认打开，因此它们的引用变量均+1.

Exec系列系统调用（6个）

在子进程中执行其他程序，即替换当前进程映像，需要使用exec系列函数

定义：

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#include <unistd.h>

extern char** environ;



int execl( const char* path, const char* arg, ... );

int execlp( const char* file, const char* arg, ... );

int execle( cost 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 envp[] );

参数说明：

path：指定可执行文件的完整路径

file：接受文件名，该文件的具体位置则在环境变量PATH中搜寻

arg：接收可变参数

argv：接收参数数组，它们都会被传递给新程序的main函数

envp：用于设置新程序的环境变量，如果未设置，则新程序使用由全局变量environ指定的环境变量

返回：

成功时，不返回；出错，返回-1，并设置errno

如果没出错，则源程序中exec调用之后的代码都不会执行，因为此时源程序已经被exec的参数指定的程序完全替换（包括代码和数据）

exec函数不会关闭原程序打开的文件描述符，除非该文件描述符被设置了类型SOCK_CLOEXEC的属性。

僵尸进程

僵尸进程：两种情况导致子进程导致僵尸态

如果父进程需要查询子进程的退出状态，那么子进程结束后，内核不会立即释放该进程的进程表表项，以满足父进程后续对该子进程退出信息的查询。在子进程结束之后，父进程读取其退出状态之前，该子进程处于僵尸态。
如果父进程退出或异常终止，而子进程继续运行，此时子进程的PPID（父进程PID）被设置成1，即init进程，即init进程接管了该进程，并等待它结束。在父进程退出之后，子进程退出之前，该子进程处于僵尸态。

即：父进程没有正确处理子进程的返回信息，将导致子进程处于僵尸态，占据内核资源，造成内核资源的浪费。

下面介绍的函数，就是为了立即结束子进程的僵尸态。

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#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

pid_t wait( int* stat_loc );

pid_t waitpid( pid_t pid, int* stat_loc, int options );

函数说明：

wait函数：阻塞该进程，直到某个子进程结束运行为止。返回子进程的PID，并将该子进程的退出状态信息存储于stat_loc参数指向的内存中。

sys/wait.h头文件中定义了几个宏，解释子进程的退出状态信息





waitpid函数：等待由pid参数指定的子进程

当options参数设置为WHOHANG时，waitpid调用是非阻塞的：

如果pid指定的目标子进程还没结束或意外终止，则waitpid立即返回0；

如果目标子进程确实正常退出了，则waipid返回该子进程的PID

调用失败返回-1

Demo: 要在事件已经发生的情况下执行非阻塞调用才能提高程序的效率

使用waitpid函数实现这一思想：

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static void handle_child( int sig )

{

pid_t pid;

int stat;

while ( ( pid = waitpid( -1, &stat, WHOHANG )) > 0 )

{

/* 对结束的子进程进行善后处理 */

}

}

看不太懂？貌似我们错过了某些重要的东西，主要是因为中间跳过了两章，直接看我感兴趣的多进程。。

我们先了解一下，当一个进程结束时，它将给其父进程发送一个SIGCHLD信号，因此，我们可以在父进程中捕获SIGCHLD信号，并在信号处理函数中调用waitpid函数以“彻底结束”一个子进程。

管道pipe

作用：父进程和子进程间通信的常用手段，半双工模式

方式：fork系统调用后两个管道文件描述符（fd[0]和fd[1]都保持打开），通信时，父进程和子进程必须一个关闭fd[0]，另一个关闭fd[1]

注意：socket编程接口提供了一个创建全双工管道的系统调用：socketpair





管道只能用于有关联的两个进程间的通信。

下面介绍3种System V IPC进程间通信方式

信号量

背景：当多个进程同时访问系统上的某个资源的时候，就需要考虑同步问题，以确保任一时刻只有一个进程可以拥有对资源的独占式访问

临界区：对资源访问的关键代码，可能引发竞态条件

信号量：确保临界区代码的独占式访问。

一种特殊的变量
只能取自然数值
只支持两种操作：等待（P，要进入临界区）和信号（V，要退出临界区）

含义：假设有信号量SV，对它的P、V操作含义如下

P(SV)，如果SV的值大于0，就将它减一，然后允许访问临界区；如果SV的值为0，则挂起进程的执行
V(SV)，如果有其他进程因为等待SV而挂起，则唤醒之；如果没有，则将SV加一

当信号量的值为1时，就是退化成互斥锁。如下图所示：





进程A和进程B在执行关键代码段（临界区）的前后，都会对SV进行PV操作，以确保临界区的独占式访问。

Linux信号量的API，三个系统调用：semget、semop和semctl，用于操作信号量集 。所以看起来会比简单的互斥锁要复杂一点。

semget系统调用

作用：创建一个新的信号量集，或者获取一个已经存在的信号量集

定义：

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#include <sys/sem.h>

int semget ( key_t key, int num_sems, int sem_flags );

参数说明：

key：一个键值，标识一个全局唯一的信号量集，要通过信号量通信的进程需要使用相同的键值来创建\获取该信号量

num_sums：指定要创建/获取的信号量集中信号量的数据。如果是创建信号量，则该值必须被指定；如果是获取已经存在的信号量，则可以把它设置为0

sem_flags：指定一组标志。

返回：成功时，返回一个正整数值，它是信号量集的标识符；semget失败时返回-1，并设置errno

semop系统调用

作用：改变信号量的值，即执行P\V操作

定义：

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#include <sys/sem.h>

int semop ( int sem_id, struct sembuf* sem_ops, size_t num_sem_ops );

参数说明：

sem_id：由semget调用返回的信号量集标识符，用以指定被操作的目标信号量集

sem_ops：指向一个sembuf结构体类型的数组

struct sembuf：

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struct sembuf

{

unsigned short int sem_num; // 信号量集中信号量的编号

short int sem_op; // 指定操作类型，可选正整数，0，负整数

short int sem_flg; // 影响操作行为，可选值IPC_NOWAIT（无论信号量操作是否成功，都立即返回），SEM_UNDO（当进程退出时，取消正在进行的semop操作）

};

关于sem_op和sem_flag字段如何影响semop系统调用的行为，当遇到时，请自行百度。

num_sem_ops：指定要执行的操作个数

semctl系统调用

作用：允许调用者对信号量进行直接控制

定义：

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#include <sys/sem.h>

int semctl ( int sem_id, int sem_num, int command, ... );

参数说明：

sem_id：由semget调用返回的信号量标识符

sem_num：指定被操作的信号量在信号量集中的编号

command：指定要执行的命令。

第4个参数由用户自定义，在sys/sem.h头文件中给出了它的推荐格式。

特殊键值IPC_PRIVATE

semget的key参数的特殊值，其值为0。

作用：

无论该信号量是否已经粗壮奶，semget都将创建一个新的信号量。

创建的信号量并非像它的名字那样是进程私有的，其他进程，尤其是子进程，也有方法来访问这个信号量。

共享内存

特点：

不涉及进程之间的任何数据传输。
必须用其他辅助手段来同步进程对共享内存的访问，否则会产生竞态条件。
因此，共享内存通常和其他进程间通信方式一起使用

Linux共享内存的API都定义在sys/shm.h，包括4个系统调用：shmget、shmat、shmdt、shmctl。

shmget系统调用

作用：创建一段新的共享内存，或者获取一段已经存在的共享内存

定义：

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#include <sys/shm.h>

int shmget ( key_t key, size_t size, int shmflg );

参数说明：

key：标识一段全局唯一的共享内存

size：指定共享内存的大小，单位是字节

shmflg：和semget系统调用的sem_flags参数相同，支持两个额外的标志：SHM_HUGETLB（使用大页面来为共享内存分配空间）和SHM_NORESERVE（不为共享内存保留交换分区）。

关联的内核数据结构：struct shmid_ds。

shmat和shmdt系统调用

使用共享内存需要注意的两个任务：

共享内存在创建之后，不能立即使用，需要先将它关联到进程的地址空间中。——shmat
使用完共享内存后，我们也需要把它从进程地址空间中分离。——shmdt

定义：

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#include <sys/shm.h>

void shmat ( int shm_id, const void * shm_addr, int shmflg );

int shmdt ( const void* shm_addr );

参数说明：

shm_id：共享内存标识符

shm_addr：指定要将共享内存关联到进程的哪块地址空间

shmflg：影响操作的最后效果，可选标志位SHM_RND。

关于shmflg支持的标志位，请用到时自行百度。

shmctl系统调用

作用：控制共享内存的某些属性

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#include <sys/shm.h>

int shmctl ( int shm_id , int command, struct shmid_ds* buf );

参数说明：

shm_id：共享内存标识符

command：要执行的命令。支持的命令如下图所示：







无关进程之间共享内存的方式

mmap可以实现无关进程之间的内存共享，需要文件支持。

shm_open无需文件支持。

定义：

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#include <sys/mman.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fnctl.h>

int shm_open ( const char* name, int oflag, mode_t mode );

参数说明：

name：指定要创建/打开的共享内存对象

oflag：指定创建方式

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#include <sys/mman.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fnctl.h>

int shm_unlink ( const char *name );

作用：将name参数指定的共享内存镀锡i昂标记为等待删除，当所有使用该共享内存对象的进程都使用ummap将它从进程中分离之后，系统将销毁这个共享内存对象所占据的资源。

消息队列

作用：两个进程之间传递二进制块数据的一种方式，简单有效。

特点：每个数据块都有一个特定的类型，接收方可以根据类型来有选择地接收数据，不一定像管道和命名管道那样必须先进先出的方式接收数据。

相关的API定义在sys/msg.h中，包括四个系统调用：msgget、msgsnd、msgrcv、msgctl

msgget系统调用

作用：创建一个消息队列，或者获取一个已有的消息队列

定义：

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#include <sys/msg.h>

int msgget ( key_t key, int msgflg );

参数说明：

key：标识一个全局唯一的消息队列

msgflg：和semget系统调用的sem_flags参数相同

与内核数据结构msqid_ds相关联。

msgsnd系统调用：

作用：把一条消息添加到消息队列中

定义：

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#include <sys/msg.h>;

int msgsnd ( int msgid, const void* msg_ptr, size_t msg_sz, int smgflg );

msgrcv系统调用

作用：从消息队列中获取消息

定义：

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#include <sys/msg.h>

int msgrcv ( int msqid, void* msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg );

msgctl系统调用

作用：控制消息队列的某些属性

定义：

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#include <sys/msg.h>

int msgctl ( int msqid, int command, struct msqid_ds* buf );

小结：

三种System V IPC进程间通信方式都使用一个全局唯一的键值来描述一个共享资源。使用ipcs命令可以查看当前系统的共享资源实例。
要尽可能缩短僵尸进程的存在时间
简单了解一下fork和exec系系统调用