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讨论popen、system的实现、问题及解决思路

分类： C/C++

2014-12-11 22:03:19

一、简介
    因为linux命令的强大，因此编程时经常会需要直接引用命令的结果，或者是通过执行一个命令，通过命令返回值来做判断。
干这些事的就是system和popen接口函数，他们属于libc库，不属于系统调用
    system：执行一个shell命令，获取命令返回值，不关心命令输出
    popen：执行一个shell命令，获取命令的输出，也关心命令返回值

二、原理
    system：fork一个子进程，在子进程调用execl("/bin/sh","-c",cmd,(char*)0)执行命令，然后在父进程中waitpid，等待子进程结束，并获取命令的返回值
    popen：比system多了一个匿名管道，分为读模式和写模式，区别就在与管道的一端是stdin还是stdout。然后在父进程中，管道的另一端文件描述符生成FILE*文件指针。然后对这个指针操作。

三、问题
    命令都有fork这一步，由于fork后，子进程继承父进程所有文件描述符，这里会造成问题。
    举个例子：
        假设进程中已经打开的socket描述符为fd，执行fork后，子进程中也有了同样的描述符fd。
        然后使用popen执行命令，在子进程执行命令的的过程中，父进程意外退出，但有一些机制保障并立即又重新启动了。这时就会产生父进程创建socket失败，地址被占用的问题。（这里的前提条件是：父进程重新启动时，子进程的命令还没执行完，也即还没退出，导致文件描述符fd被子进程占用）
    这是fork照成问题的一个例子

四、解决方案
    自己重写system，popen，并在fork出的子进程执行命令之前中，主动关闭除0、1、2之外的所有描述符
    system的代码：

点击(此处)折叠或打开

  1. int my_system(const char* pCommand)
  2. {
  3.     pid_t pid;
  4.     int status;
  5.     int i = 0;

  7.     if(pCommand == NULL)
  8.     {
  9.         return (1);
  10.     }

  12.     if((pid = fork())<0)
  13.     {
  14.         status = -1;
  15.     }
  16.     else if(pid == 0)
  17.     {
  18.         /* close all descriptors in child sysconf(_SC_OPEN_MAX) */
  19.         for (i = 3; i < sysconf(_SC_OPEN_MAX); i++)
  20.         {
  21.             close(i);
  22.         }
  23.         
  24.         execl("/bin/sh", "sh", "-c", pCommand, (char *)0);
  25.         _exit(127);
  26.     }
  27.     else
  28.     {
  29.         /*当进程中SIGCHLD做SIG_IGN操作时，获取不到status返回值，XOS_System无法正常工作*/
  30.         while(waitpid(pid, &status, 0) < 0)
  31.         {
  32.             if(errno != EINTR)
  33.             {
  34.                 status = -1;
  35.                 break;
  36.             }
  37.         }
  38.     }

  40.     return status;
  41. }

    popen的代码：

点击(此处)折叠或打开

  1. FILE* my_popen(const char *pCommand, const char *pMode)
  2. {
  3.     int i;
  4.     int parent_end = 0;
  5.     int child_end = 0;
  6.     int child_std_end = 0;
  7.     int pipe_fds[2] = {0};
  8.     pid_t child_pid = 0;
  9.     
  10.     if(NULL == pCommand || NULL == pMode || pid == NULL)
  11.     {
  12.         return (NULL);
  13.     }

  15.     if (pipe(pipe_fds) < 0)
  16.     {
  17.         return(NULL);
  18.     }

  20.     /* only allow "r" or "w" */
  21.     if (pMode[0] == 'r' && pMode[1] == '\0')
  22.     {
  23.         parent_end = pipe_fds[0];
  24.         child_end = pipe_fds[1];
  25.         child_std_end = STDOUT_FILENO;
  26.     }
  27.     else if (pMode[0] == 'w' && pMode[1] == '\0')
  28.     {
  29.         parent_end = pipe_fds[1];
  30.         child_end = pipe_fds[0];
  31.         child_std_end = STDIN_FILENO;
  32.     }
  33.     else
  34.     {
  35.         return(NULL);
  36.     }
  37.     
  38.     child_pid = fork();
  39.     if (child_pid < 0)
  40.     {
  41.         close(child_end);
  42.         close (parent_end);
  43.         return NULL;
  44.     }
  45.     else if (child_pid == 0) /* child */
  46.     {
  47.         close (parent_end);
  48.         if (child_end != child_std_end)
  49.         {
  50.             dup2 (child_end, child_std_end);
  51.             close (child_end);
  52.         }

  54.         /* close all descriptors in child sysconf(_SC_OPEN_MAX) */
  55.         for (i = 3; i < sysconf(_SC_OPEN_MAX); i++)
  56.         {
  57.             close(i);
  58.         }
  59.   
  60.         execl("/bin/sh", "sh", "-c", pCommand, (char *) 0);
  61.         
  62.         _exit(127);
  63.     }
  64.     close(child_end);

  66.     return fdopen(parent_end, pMode);
  67. }

  69. int ExeCmdByPopen(char *pCmd, char *pBuf, unsighed int len)
  70. {
  71.     int count = 2000; /*最多读取2000行*/
  72.     FILE *fp = NULL;
  73.     char szRead[1024] = {0};
  74.     char *pTmp = NULL;
  75.     unsighed int nLen = 0;
  76.     int status = 0;
  77.     pid_t pid;


  80.     if(NULL == pCmd || 0 == len)
  81.     {
  82.         return XERROR;
  83.     }
  84.    
  85.     fp = my_popen(pCmd, "r");//通过一个脚本中转，在脚本中关闭所有的文件描述符，exec fd<&-
  86.     if(NULL == fp)
  87.     {
  88.         perror("XOS_ExeCmdByPopen:popen() failed");
  89.         return XERROR;
  90.     }

  92.     sleep(1);
  93.     
  94.     if(NULL != pBuf)
  95.     {
  96.         pBuf[0] = '\0';
  97.         pTmp = pBuf;
  98.         while(count > 0 && NULL != fgets(pTmp, len, fp))
  99.         {
  100.             nLen = strlen(pTmp);
  101.             if(0 == nLen)/*缓存区不够*/
  102.             {
  103.                 break;
  104.             }
  105.             pTmp += nLen;
  106.             len -= nLen;
  107.             count--;
  108.         }
  109.     }
  110.     else
  111.     {
  112.         /*防止脚本在执行的时候可能需要进行写操作，但这边父进程函数退出了，导致管道破坏*/
  113.         szRead[0] = '\0';
  114.         while(count > 0 && NULL != fgets(szRead, sizeof(szRead)-1, fp))
  115.         {
  116.             count--;
  117.         }
  118.     }
  119.     
  120.     return pclose(fp);
  121. }

五、新的问题
    使用自己写的popen，发现每次调用都产生一个僵尸进程。
    僵尸进程：父进程对子进程的退出没做处理，就照成了僵尸进程。只要在父进程中wait或waitpid均可避免僵尸进程，或通过对SIGCHLD信号设置为忽略，但这样会让system失效。当出现后，可以通过杀死父进程的方式消除。

    那么问题来了，为什么会产生僵尸进程呢？
    经分析pclose和popen的源代码，发现pclose中会调用waitpid，传入的pid是通过在一个链表上比较pf，找到对应的节点，节点中有在popen中存入的子进程pid。问题找到了！
    我们的popen正是少了这一步，没有保存子进程pid，那么调用pclose时，找不到pid，因此无法waitpid子进程。
六、改进
    在popen中传出pid，并用waitpid和close(fileno(pf))这两句代替pclose

点击(此处)折叠或打开

  1. FILE* my_popen(const char *pCommand, const char *pMode, pid_t *pid)
  2. {
  3.     int i;
  4.     int parent_end = 0;
  5.     int child_end = 0;
  6.     int child_std_end = 0;
  7.     int pipe_fds[2] = {0};
  8.     pid_t child_pid = 0;
  9.     
  10.     if(NULL == pCommand || NULL == pMode || pid == NULL)
  11.     {
  12.         return (NULL);
  13.     }

  15.     *pid = 0;

  17.     if (pipe(pipe_fds) < 0)
  18.     {
  19.         return(NULL);
  20.     }

  22.     /* only allow "r" or "w" */
  23.     if (pMode[0] == 'r' && pMode[1] == '\0')
  24.     {
  25.         parent_end = pipe_fds[0];
  26.         child_end = pipe_fds[1];
  27.         child_std_end = STDOUT_FILENO;
  28.     }
  29.     else if (pMode[0] == 'w' && pMode[1] == '\0')
  30.     {
  31.         parent_end = pipe_fds[1];
  32.         child_end = pipe_fds[0];
  33.         child_std_end = STDIN_FILENO;
  34.     }
  35.     else
  36.     {
  37.         return(NULL);
  38.     }
  39.     
  40.     child_pid = fork();
  41.     if (child_pid < 0)
  42.     {
  43.         close(child_end);
  44.         close (parent_end);
  45.         return NULL;
  46.     }
  47.     else if (child_pid == 0) /* child */
  48.     {
  49.         close (parent_end);
  50.         if (child_end != child_std_end)
  51.         {
  52.             dup2 (child_end, child_std_end);
  53.             close (child_end);
  54.         }

  56.         /* close all descriptors in child sysconf(_SC_OPEN_MAX) */
  57.         for (i = 3; i < sysconf(_SC_OPEN_MAX); i++)
  58.         {
  59.             close(i);
  60.         }
  61.   
  62.         execl("/bin/sh", "sh", "-c", pCommand, (char *) 0);
  63.         
  64.         _exit(127);
  65.     }
  66.     close(child_end);
  67.     *pid = child_pid;

  69.     return fdopen(parent_end, pMode);
  70. }

  72. int ExeCmdByPopen(char *pCmd, char *pBuf, unsighed int len)
    {
        int count = 2000; /*最多读取2000行*/
        FILE *fp = NULL;
        char szRead[1024] = {0};
        char *pTmp = NULL;
        unsighed int nLen = 0;
        int status = 0;
        pid_t pid;




        if(NULL == pCmd || 0 == len)
        {
            return XERROR;
        }
       
        fp = my_popen(pCmd, "r", &pid);//通过一个脚本中转，在脚本中关闭所有的文件描述符，exec fd<&-        
        if(NULL == fp)
        {
            perror("XOS_ExeCmdByPopen:popen() failed");
            return XERROR;
        }


        sleep(1);
        
        if(NULL != pBuf)
        {
            pBuf[0] = '\0';
            pTmp = pBuf;
            while(count > 0 && NULL != fgets(pTmp, len, fp))
            {
                nLen = strlen(pTmp);
                if(0 == nLen)/*缓存区不够*/
                {
                    break;
                }
                pTmp += nLen;
                len -= nLen;
                count--;
            }
        }
        else
        {   
            /*防止脚本在执行的时候可能需要进行写操作，但这边父进程函数退出了，导致管道破坏*/
            szRead[0] = '\0';
            while(count > 0 && NULL != fgets(szRead, sizeof(szRead)-1, fp))
            {
                count--;
            }
        }



        /* 下面 close和waitpid组合 相当于pclose. 
        -- 为了解决XOS_Popen与pclose搭配会产生僵尸进程的问题 */
        close(fileno(fp));


        while(waitpid(pid, &status, 0) < 0) 
        { 
            if(errno != EINTR) 
            { 
                status = -1; 
                break; 
            } 
        } 


        return status;    
    }


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