Linux多进程编程学习笔记

原文地址：http://blog.csdn.net/zhchch/archive/2008/09/26/2982594.aspx

Linux 多进程编程：

 

1. Linux下进程的结构:
    Linux下一个进程在内存里有三部分的数据:数据段,堆栈段,代码段.
    代码段存放了程序代码的数据,假如机器中有数个进程运行相同的一个程序,那么它们可以使用同一个代码段.
    堆栈段存放子程序(注意是子程序)的返回地址,子程序的参数以及程序的局部变量.
    数据段存放全局变量,常熟以及动态数据分配的数据空间(如用malloc之类的函数取得的空间.)
    上面说了,数个进程运行相同的一个程序他们可以使用同一个代码段,但是不能使用同一个堆栈段和数据段.
2.系统调用产生新进程-fork()
    在Linux下产生新的进程的系统调用就是fork函数，这个函数名是英文中“分叉”的意思。为什么取这个名字
呢？因为一个进程在运行中，如果使用了fork，就产生了另一个进程，于是进程就“分叉”了，所以这个名字取得很形象。这个子进程和父进程不同的地方只有他的进程ID和父进程ID,其他的都是一样.就象符进程克隆 (clone)自己一样.当然创建两个一模一样的进程是没有意义的.为了区分父进程和子进程,我们必须跟踪fork的返回值. 当fork掉用失败的时候 (内存不足或者是用户的最大进程数已到)fork返回-1,否则fork的返回值有重要的作用.对于父进程fork返回子进程的ID,而对于fork子进程返回0.我们就是根据这个返回值来区分父子进程的.。 
    注意:fork()调用时是子进程先返回还是父进程先返回不确定,有操作系统控制.
    深入分析:
    一个程序一调用fork函数，系统就为一个新的进程准备了上面说的三个段，首先，系统让新的进程与旧的进程使用同一个代码段，因为它们的程序还是相同的，对于数据段和堆栈段，系统则复制一份给新的进程，这样，父进程的所有数据都可以留给子进程，但是，子进程一旦开始运行，虽然它继承了父进程的一切数据，但实际上数据却已经分开，相互之间不再有影响了，也就是说，它们之间不再共享任何数据了。而如果两个进程要共享什么数据的话，就要使用另一套函数（shmget，shmat，shmdt等）来操作。现在，已经是两个进程了.
    疑问:
    如果一个大程序在运行中，它的数据段和堆栈都很大，一次fork就要复制一次，那么fork的系统开销不是很大吗？
    回答:
    其实UNIX自有其解决的办法，大家知道，一般CPU都是以“页”为单位分配空间的，象INTEL的CPU，其一页在
通常情况下是4K字节大小，而无论是数据段还是堆栈段都是由许多“页”构成的，fork函数复制这两个段，只是“逻辑”上的，并非“物理”上的，也就是说，实际执行fork时，物理空间上两个进程的数据段和堆栈段都还是共享着的，当有一个进程写了某个数据时，这时两个进程之间的数据才有了区别，系统就将有区别的“页”从物理上也分开。系统在空间上的开销就可以达到最小。
    现在很多的实现并不做一个父进程数据段和堆的完全拷贝，因为在fork之后经常跟真exec，作为替代使用了写时复制的技术（copy-on-write，COW），这些区域由父子进程共享，而且内核将它们的存取许可权改变为只读的，如果有进程试图修改这些区域，则内核为有关部分，典型的是虚拟存储系统中的“页”做一个拷贝。
    一般在fork之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的，这取决于内核使用的调度算法，如果要求父子进程之间相互同步，则要求某种形式的进程间通讯。
    
    Linux的系统调用函数write是不带缓存的，而标准I/O库是带缓存的。如果标准库输出到终端设备，那么它是行缓存的，否则是全缓存的。标准输出缓存由新行符刷新
文件共享：
    父子进程共享一个文件表项---即父子进程对同一个文件使用了一个文件位移量

    fork()的例子:

1. #include 
2. #include /*fork()函数所在的头文件*/
4. int main()
5. {    
6.     printf("before fork()!\n");/*这一句在fork()调用之前将只打印一次*/
7.         pid_t pid = fork();
8.     printf("after fork()!\n");/*这一句在fork()调用之后将打印两次*/
9.         if(pid < 0)
10.         {
11.                 printf("fork() error!");
12.                 //exit(1);
13.         }
14.         else if(pid ==0)
15.         {
16.                 printf("Child process is printing!\n");
17.                 /*打印子进程的id*/
18.                 printf("This is child process,it's PID : %d\n", getpid()); 
    
19.                 /*打印(子进程的)父进程的id*/
20.                 printf("This is child process,it's parent's PID : %d\n", getppid()); 
21.         }
22.         else
23.         {
24.                 printf("Parent process is printing!\n");
25.                 printf("This is parent process,it's PID : %d\n", getpid());/*父进程id*/
26.                 /*父进程的父进程的id*/       
27.                 printf("This is parent process,it's parent's PID : %d\n", getppid());
28.         }
29. }
    

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执行结果可能是:(父进程先返回)
[zzz@localhost process]$ ./a.out
before fork()!
after fork()!
Parent process is printing!
This is parent process,it's PID : 3106
This is parent process,it's parent's PID : 2604
after fork()!
Child process is printing!
This is child process,it's PID : 3107
This is child process,it's parent's PID : 1
还可能是:(子进程先返回)
before fork()!
after fork()!
Child process is printing!
This is child process,it's PID : 6979
This is child process,it's parent's PID : 6978
after fork()!
Parent process is printing!
This is parent process,it's PID : 6978
This is parent process,it's parent's PID : 2245

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注意上面的结果:第一种结果子进程的父进程id打印的是1,而不是3106,为什么?
因为父进程比子进程提前终止了！！那么子进程就变成孤儿进程了，那么它就由INIT进程收养！！所以父进程是1,init进程是系统初始化的进程.
第二种结果:子进程先返回,父进程还没终止,所以打印出了父进程的id是6978,和父进程自己打印的id一样.

3.vfork()函数 
    vfork函数的调用序列和返回值与fork相同，但语义不同。vfork用于创建一个新进程，该进程的目的是exec一个新进程。vfork和fork一样都创建一个子进程，
但是它并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec或exit，于是也就不会存访该地址空间。不过在子进程调用exec或exit之前，它在
父进程的空间中运行。这种工作方式在某些UNIX的页式虚存中提高了效率
    vfork和fork之间的另一区别是，vfork保证子进程先运行，它在调用exec或exit之后父进程才可能被调度运行。如果在调用这两个函数之前子进程依赖父进程的
进一步动作，则会导致死锁。

4.exit函数
进程有三种正常终止法和两种异常终止法
1>正常终止
  a.在main函数中执行return语句，等效于调用exit
  b.调用exit函数，该函数由ANSI C定义，其操作包括调用各终止处理程序，然后关闭所有标准I/O流，因为ANSI C不处理文件描述符，多进程以及作业控制
    所以这一定义对UNIX是不完整的
  c.调用_exit系统调用函数，它并不执行标准I/O缓存的刷新操作，它处理UNIX特定的细节，_exit是由POSIX说明的
2>异常终止
  a.调用abort，它产生SIGABRY信号
  b.当进程接收到某个信号时。
  
不管进程如何终止，最后都会执行内核中的同一段代码，这段代码为进程关闭所有打开的文件描述符，释放它所使用的存储器等。

对于上面任何一种终止情况，我们都希望终止进程能够通知父进程它是如何终止的，对exit和_exit，是依靠传递给他们的退出状态实现的；在异常终止情况下，
内核（非进程本身）会产生一个指示其异常终止原因的终止状态，在任意一种情况下，该终止进程的父进程都能使用wait或waitpid函数获取其终止状态。

    
    
5.wait和waitpid函数
    当一个进程正常或异常终止时，内核就向其父进程发送SIGCHLD信号，因为子进程终止是一个异步事件，所以这种信号也是内核向父进程发出的异步通知。
    
    调用wait和waipit可能会导致：
    1>阻塞（当父进程的所有子进程都在运行时）
    2>一个子进程已经终止，正等待父进程存取其终止状态
    3>出错并立即返回（该进程没有任何子进程）
    
    如果进程由于接收到SIGCHLD信号而调用wait则可期望wait立即返回，但是如果在一个任意时刻调用wait，可能会阻塞
    
    #include
    #include
    
    pid_t wait(int &status);
    pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);
    
    两个函数的区别是：
    在一个子进程终止前，调用wait会使调用者阻塞，而waitpid有一选择项，可以使waitpid不阻塞。
    waitpid并不等待第一个终止的子进程，可以控制它所等待的进程。
    如果是一个子进程已经终止，是一个僵死进程，则wait立即返回并取得该子进程的状态，否则wait一直阻塞直到一个进程结束。