OS | 第5章 插叙：进程API

UNXI 系统采用了一种非常有趣的创建新进程的方式，通过一对系统调用： fork() 和 exec()，还可以通过第3个系统调用 wait()，来等待其创建的子进程执行完成。

5.1 fork()系统调用

系统调用 fork()用于创建新进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  printf("hello Randy (pid:%d) \n", (int)getpid());
  int rc = fork();
  if (rc < 0)  // fork failed; exit
  {
    fprintf(stderr, "fork failed!\n");
    exit(1);
  } else if (rc == 0) {  // child (new process)
    printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());
  } else {  // parent goes down this path (main)
    printf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n", rc, (int)getpid());
  }
  return 0;
}

运行结果：

hello Randy (pid:12242) 
hello, I am parent of 12243 (pid:12242)
hello, I am child (pid:12243)

代码过程分析

1. 程序开始运行时， 进程输出一条 “hello Randy”信息，以及自己的进程描述符（process identifier, PID）,该进程PID为12242；
2. 进程调用了fork()系统调用，创建了1个新的线程。新创建的线程与调用线程几乎完全一样，对操作系统来说，有2个完全一样的程序在运行，并从fork()系统调用中返回；
3. 新创建的进程称为子进程（child），原来的线程为父进程（parent）。子进程直接从fork()系统调用返回，好像自己调用了fork();
4. 父进程和子进程接着分别运行剩余代码。

子进程并不是完全拷贝父进程：虽然子进程有自己的地址空间（拥有自己的私有内存）、寄存器、程序计数器等，但是它从fork()返回的值是不同的。

父进程获得的返回值是子进程的PID，子进程获得的返回值是0。

CPU调度程序（scheduler）决定了某个时刻哪个进程被执行，所以父进程和子进程谁先打印不确定。

5.2 wait()系统调用

有时候父进程需要等待子进程执行完毕，由wait()系统调用完成

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  printf("hello Randy (pid:%d) \n", (int)getpid());
  int rc = fork();
  if (rc < 0)  // fork failed; exit
  {
    fprintf(stderr, "fork failed!\n");
    exit(1);
  } else if (rc == 0) {  // child (new process)
    printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());
  } else {  // parent goes down this path (main)
    int wc = wait(NULL);
    printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n", rc, wc,  (int)getpid());
  }
  return 0;
}

执行结果：

hello Randy (pid:14580) 
hello, I am child (pid:14581)
hello, I am parent of 14581 (wc:14581) (pid:14580)

父进程调用wait()，延迟自己的执行，直到子进程执行完毕，wait()才返回父进程。

5.3 exec() 系统调用

exec() 有几种变体：execl()、execle()、execlp()、execv()、execvp()。

这个系统调用可以让子进程执行与父进程不同的程序。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  printf("hello Randy (pid:%d) \n", (int)getpid());
  int rc = fork();
  if (rc < 0)  // fork failed; exit
  {
    fprintf(stderr, "fork failed!\n");
    exit(1);
  } else if (rc == 0) {  // child (new process)
    printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());
    char *myargs[3];
    myargs[0] = strdup("wc");        // program: "wc"(word count)
    myargs[1] = strdup("fork.cpp");  // program: "wc"(word count)
    myargs[2] = NULL;                // program: "wc"(word count)
    execvp(myargs[0], myargs);       // runs word count
    printf("this shouldn't print out");
  } else {                     // parent goes down this path (main)
    int wc = wait(NULL);
    printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n", rc, wc,  (int)getpid());
  }
  return 0;
}

执行结果：

./randy 
hello Randy (pid:15334) 
hello, I am child (pid:15335)
 27 117 916 fork.cpp
hello, I am parent of 15335 (wc:15335) (pid:15334)

子进程调用execvp()运行字符计数程序wc。

执行过程

1. exec() 给定可执行程序的名称（如wc）及需要的参数后，会从可执行程序中加载代码和静态数据，并用它覆写自己的代码段（以及静态数据），堆、栈及其他内存空间也会被重新初始化。

2. 操作系统执行该程序，将参数通过argv 传递给该进程。

它并没有创建新进程，而是直接将当前运行的程序替换为不同的运行程序（wc）。

子进程执行exec()之后，几乎就像源程序从未运行过一样，对exec() 的成功调用永远不会返回。

为什么这样设计API？

这种分离的fork()和exec()的做法在构建UNIX shell 的时候非常有用，这给了shell 在fork之后 exec 之前运行代码的机会，这些代码可以在运行新程序之前改变环境，从而让其他功能易于实现。

比如：

wc fork.cpp > count_fork_cpp.txt

shell执行过程

shell 是一个用户程序（包括 tcsh、bash、zsh等）

1. 首先显示一个提示符（prompt）
2. 等待用户输入。输入命令或参数
3. shell在文件系统中找到这个可执行程序，调用fork()创建新进程；
4. 调用exec()的某个变体执行这个可执行程序
5. 调用wait()等待该命令完成

shell从wait()返回并再次输出一个提示符，等待用户输入下一条命令。

shell 重定向

上面的例子，wc的结果被重定向到count_fork_cpp.txt中。

重定向的工作原理，是基于操作系统管理文件描述符方式的假设。

UNIX系统从0开始寻找可以使用的文件描述符。

下面的例子中STDOUT_FILENO将成为第一个可用的文件描述符，因此在open()被调用时，得到赋值。然后子进程向标准输出文件描述符的写入（如printf()），都会被透明地转向新打开的文件，若不是屏幕。

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  int rc = fork();
  if (rc < 0)  // fork failed; exit
  {
    fprintf(stderr, "fork failed!\n");
    exit(1);
  } else if (rc == 0) {  // child : redict standard  output to a file
    close(STDOUT_FILENO);
    open("./redirect.output", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, S_IRWXU);
    
    // now exec "wc"
    printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());
    char *myargs[3];
    myargs[0] = strdup("wc");        // program: "wc"(word count)
    myargs[1] = strdup("fork.cpp");  // program: "wc"(word count)
    myargs[2] = NULL;                // program: "wc"(word count)
    execvp(myargs[0], myargs);       // runs word count
    printf("this shouldn't print out");
  } else {                     // parent goes down this path (main)
    // printf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n", rc, (int)getpid());
    int wc = wait(NULL);
    printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n", rc, wc,  (int)getpid());
  }
  return 0;
}

执行结果：

Randy@Jeff:~$ ./randy 
hello, I am parent of 17118 (wc:17118) (pid:17117)
Randy@Jeff:~$ cat redirect.output 
  46  227 1592 fork.cpp

pipe()

UNIX管道也是用类似的方式实现的，用的是pipe()系统调用。

一个进程的输出被连接到一个内核管道（pipe）上（队列），另一个进程的输入也被连接到了同一个管道上。

因此前一个进程的输出无缝地作为后一个进程的输入，许多命令可以用这种方式串联在一个，共同完成某项任务。如从一个文件中查找某个词，并统计其出现的次数：

grep -o randy file | wc -l

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