Linux 創建子進程執行任務

Linux 操作系統緊緊依賴進程創建來滿足用戶的需求。例如，只要用戶輸入一條命令，shell 進程就創建一個新進程，新進程運行 shell 的另一個拷貝並執行用戶輸入的命令。Linux 系統中通過 fork/vfork 系統調用來創建新進程。本文將介紹如何使用 fork/vfork 系統調用來創建新進程並使用 exec 族函數在新進程中執行任務。

fork 系統調用

要創建一個進程，最基本的系統調用是 fork：

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

調用 fork 時，系統將創建一個與當前進程相同的新進程。通常將原有的進程稱為父進程，把新創建的進程稱為子進程。子進程是父進程的一個拷貝，子進程獲得同父進程相同的數據，但是同父進程使用不同的數據段和堆棧段。子進程從父進程繼承大多數的屬性，但是也修改一些屬性，下表對比了父子進程間的屬性差異：

繼承屬性	差異
uid,gid,euid,egid	進程 ID
進程組 ID	父進程 ID
SESSION ID	子進程運行時間記錄
所打開文件及文件的偏移量	父進程對文件的鎖定
控制終端
設置用戶 ID 和 設置組 ID 標記位
根目錄與當前目錄
文件默認創建的權限掩碼
可訪問的內存區段
環境變量及其它資源分配

下面是一個常見的演示 fork 工作原理的 demo(筆者的環境為 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，並執行下面的命令編譯：

$ gcc forkdemo.c -o forkdemo

然后運行編譯出來的 forkdemo 程序：

$ ./forkdemo

fork 函數的特點是 "調用一次，返回兩次"：在父進程中調用一次，在父進程和子進程中各返回一次。在父進程中返回時的返回值為子進程的 PID，而在子進程中返回時的返回值為 0，並且返回后都將執行 fork 函數調用之后的語句。如果 fork 函數調用失敗，則返回值為 -1。
我們細想會發現，fork 函數的返回值設計還是很高明的。在子進程中 fork 函數返回 0，那么子進程仍然可以調用 getpid 函數得到自己的 PID，也可以調用 getppid 函數得到父進程 PID。在父進程中用 getpid 函數可以得到自己的 PID，如果想得到子進程的PID，唯一的辦法就是把 fork 函數的返回值記錄下來。
注意：執行 forkdemo 程序時的輸出是會發生變化的，可能先打印父進程的信息，也可能先打印子進程的信息。

vfork 系統調用

vfork 系統調用和 fork 系統調用的功能基本相同。vfork 系統調用創建的進程共享其父進程的內存地址空間，但是並不完全復制父進程的數據段，而是和父進程共享其數據段。為了防止父進程重寫子進程需要的數據，父進程會被 vfork 調用阻塞，直到子進程退出或執行一個新的程序。由於調用 vfork 函數時父進程被掛起，所以如果我們使用 vfork 函數替換 forkdemo 中的 fork 函數，那么執行程序時輸出信息的順序就不會變化了。

使用 vfork 創建的子進程一般會通過 exec 族函數執行新的程序。接下來讓我們先了解下 exec 族函數。

exec 族函數

使用 fork/vfork 創建子進程后執行的是和父進程相同的程序（但有可能執行不同的代碼分支），子進程往往需要調用一個 exec 族函數以執行另外一個程序。當進程調用 exec 族函數時，該進程的用戶空間代碼和數據完全被新程序替換，從新程序的起始處開始執行。調用 exec 族函數並不創建新進程，所以調用 exec 族函數前后該進程的 PID 並不改變。

exec 族函數一共有六個：

#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[]);

函數名字中帶字母 "l" 的表示其參數個數不確定，帶字母 "v" 的表示使用字符串數組指針 argv 指向參數列表。
函數名字中含有字母 "p" 的表示可以自動在環境變量 PATH 指定的路徑中搜索要執行的程序。
函數名字中含有字母 "e" 的函數比其它函數多一個參數 envp。該參數是字符串數組指針，用於指定環境變量。調用這樣的函數時，可以由用戶自行設定子進程的環境變量，存放在參數 envp 所指向的字符串數組中。

事實上，只有 execve 是真正的系統調用，其它五個函數最終都調用 execve。這些函數之間的關系如下圖所示(此圖來自互聯網)：

exec 族函數的特征：調用 exec 族函數會把新的程序裝載到當前進程中。在調用過 exec 族函數后，進程中執行的代碼就與之前完全不同了，所以 exec 函數調用之后的代碼是不會被執行的。

在子進程中執行任務

下面讓我們通過 vfork 和 execve 函數實現在子進程中執行 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);
        }
        // 子進程要么從 ls 命令中退出，要么從上面的 exit(1) 語句退出
        // 所以代碼的執行路徑永遠也走不到這里，下面的 printf 語句不會被執行
        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，並執行下面的命令編譯：

$ gcc subprocessdemo.c -o subprocessdemo

然后運行編譯出來的 subprocessdemo程序：

$ ./subprocessdemo

總結

fork/vfork 函數和 exec 族函數都是 Linux 系統中非常重要的概念。本文試圖通過簡單的 demo 來演示這些函數的基本用法，為理解 Linux 系統中父進程與子進程的概念提供一些直觀的感受。

 

參考：

Linux C 編程一站式學習
《Linux 環境下 C 編程指南》
《深入理解 Linux 內核》