Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

Дублирование образа процесса

Для применения процессов, выполняющих несколько функций одновременно, можно либо использовать потоки, обсуждаемые в главе 12, либо создавать в программе полностью отдельный процесс, как делает init, вместо замещения текущего потока исполнения, как в случае применения функции exec.

Создать новый процесс можно с помощью вызова fork. Системный вызов дублирует текущий процесс, создавая новый элемент в таблице процессов с множеством атрибутов, таких же как у текущего процесса. Новый процесс почти идентичен исходному, выполняет тот же программный код, но в своем пространстве данных, окружении и со своими файловыми дескрипторами. В комбинации с функциями exec вызов fork — все, что вам нужно для создания новых процессов.

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

Как видно из рис. 11.2, вызов fork возвращает в родительский процесс PID нового дочернего процесса. Новый процесс продолжает выполнение так же, как и исходный, за исключением того, что в дочерний процесс вызов fork возвращает 0. Это позволяет родительскому и дочернему процессам определить, "кто есть кто".

Рис. 11.2 

Если вызов fork завершается аварийно, он возвращает -1. Обычно это происходит из-за ограничения числа дочерних процессов, которые может иметь родительский процесс (CHILD_MAX), в этом случае переменной errno будет присвоено значение EAGAIN. Если для элемента таблицы процессов недостаточно места или не хватает виртуальной памяти, переменная errno получит значение ENOMEM.

Далее приведен фрагмент типичного программного кода, использующего вызов fork:

pid_t new_pid;

new_pid = fork();

switch(new_pid) {

case -1:

 /* Ошибка */

 break;

case 0:

 /* Мы — дочерний процесс */

 break;

default:

 /* Мы — родительский процесс */

 break;

}

Выполните упражнение 11.3.

Упражнение 11.3. Системный вызов fork

Давайте рассмотрим простой пример fork1.с:

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main() {

 pid_t pid;

 char* message;

 int n;

 printf("fork program startingn");

 pid = fork();

 switch(pid) {

 case -1:

  perror("fork failed");

  exit(1);

 case 0:

  message = "This is the child";

  n = 5;

  break;

 default:

  message = "This is the parent";

  n = 3;

  break;

 }

 for (; n > 0; n--) {

  puts(message);

  sleep(1);

 }

 exit(0);

}

Эта программа выполняет два процесса. Дочерний процесс создается и выводит пять раз сообщение. Исходный процесс (родитель) выводит сообщение только три раза. Родительский процесс завершается до того, как дочерний процесс выведет все свои сообщения, поэтому в вывод попадает очередное приглашение командной оболочки.

$ ./fork1

fork program starting

This is the child

This is the parent

This is the parent

This is the child

This is the parent

This is the child

$ This is the child

This is the child

Как это работает

Когда вызывается fork, эта программа делится на два отдельных процесса. Родительский процесс идентифицируется ненулевым возвращаемым из fork значением и используется для задания количества сообщений, выводимых с интервалом в одну секунду.

Ожидание процесса

Когда вы запускаете дочерний процесс с помощью вызова fork, он начинает жить собственной жизнью и выполняется независимо. Иногда вам нужно знать, когда закончился дочерний процесс. Например, в предыдущей программе родительский процесс завершается раньше дочернего, и вы получаете слегка беспорядочный вывод, потому что дочерний процесс продолжает выполняться. Вы можете с помощью системного вызова wait заставить родительский процесс дождаться завершения дочернего процесса перед своим продолжением.

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *stat_loc);

Системный вызов wait заставляет родительский процесс сделать паузу до тех пор, пока один из его дочерних процессов не остановится. Вызов возвращает PID дочернего процесса. Обычно это дочерний процесс, который завершился. Сведения о состоянии позволяют родительскому процессу определить статус завершения дочернего процесса, т.е. значение, возвращенное из функции main или переданное функции exit. Если stat_loc не равен пустому указателю, информация о состоянии будет записана в то место, на которое указывает этот параметр.

Интерпретировать информацию о состоянии процесса можно с помощью макросов, описанных в файле sys/wait.h и приведенных в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Макрос Описание WIFEXITED(stat_val) Ненулевой, если дочерний процесс завершен нормально WEXITSTATUS(stat_val) Если WIFEXITED ненулевой, возвращает код завершения дочернего процесса WIFSIGNALED(stat_val) Ненулевой, если дочерний процесс завершается неперехватываемым сигналом WTERMSIG(stat_val) Если WIFSIGNALED ненулевой, возвращает номер сигнала WIFSTOPPED(stat_val) Ненулевой, если дочерний процесс остановился WSTOPSIG(stat_val) Если WIFSTOPPED ненулевой, возвращает номер сигнала

Выполните упражнение 11.4.

Упражнение 11.4. Системный вызов wait

В этом упражнении вы слегка измените программу, чтобы можно было подождать и проверить код состояния дочернего процесса. Назовите новую программу wait.c.

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main() {

 pid_t pid;

 char* message;

 int n;

 int exit_code;

 printf("fork program startingn");

 pid = fork();

 switch(pid) {

 case -1:

  perror("fork failed");

  exit(1);

 case 0:

  message = "This is the child";

  n = 5;

  exit_code = 37;

  break;

 default:

  message = "This is the parent";

  n = 3;

  exit_code = 0;

  break;

 }

 for (; n > 0; n--) {

  puts(message);

  sleep(1);

 }

Следующий фрагмент программы ждет окончания дочернего процесса:

 if (pid != 0) {

  int stat_val;

  pid_t child_pid;

  child_pid = wait(&stat_val);

  printf("Child has finished: PID = %dn", child_pid);

  if (WIFEXITED(stat_val))

   printf("Child exited with code %dn", WEXITSTATUS(stat_val));

  else printf("Child terminated abnormallyn");

 }

 exit(exit_code);

}

Когда вы выполните эту программу, то увидите, что родительский процесс ждет дочерний:

$ ./wait

fork program starting

This is the child

This is the parent

This is the parent

This is the child

This is the parent

This is the child

This is the child

This is the child

Child has finished: PID = 1582

Child exited with code 37

$

Как это работает

Родительский процесс, получивший ненулевое значение, возвращенное из вызова fork, применяет системный вызов wait для приостановки своего выполнения до тех пор, пока информация о состоянии дочернего процесса не станет доступной. Это произойдет, когда дочерний процесс вызовет функцию exit; мы присвоили ему код завершения 37. Далее родительский процесс продолжается, определяет, протестировав значение, возвращенное вызовом wait, что дочерний процесс завершился нормально, и извлекает код завершения из информации о состоянии процесса.

Процессы-зомби

Применение вызова fork для создания процессов может оказаться очень полезным, но вы должны отслеживать дочерние процессы. Когда дочерний процесс завершается, связь его с родителем сохраняется до тех пор, пока родительский процесс в свою очередь не завершится нормально, или не вызовет wait. Следовательно, запись о дочернем процессе не исчезает из таблицы процессов немедленно. Становясь неактивным, дочерний процесс все еще остается в системе, поскольку его код завершения должен быть сохранен, на случай если родительский процесс в дальнейшем вызовет wait. Он становится умершим или процессом-зомби.