Linux 建立子進程執行任務

Linux 作業系統緊緊依賴進程建立來滿足使用者的需求。例如，只要使用者輸入一條命令，shell 進程就建立一個新進程，新進程執行 shell 的另一個拷貝並執行使用者輸入的命令。Linux 系統中通過 fork/vfork 系統呼叫來建立新進程。本文將介紹如何使用 fork/vfork 系統呼叫來建立新進程並使用 exec 族函數在新進程中執行任務。

fork 系統呼叫

要建立一個進程，最基本的系統呼叫是 fork：

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

呼叫 fork 時，系統將建立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，把新建立的進程稱為子進程。子進程是父進程的一個拷貝，子進程獲得同父進程相同的資料，但是同父進程使用不同的資料段和堆疊段。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：

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;
}

把上面的程式碼儲存到檔案 forkdemo.c 檔案中，並執行下面的命令編譯：

$ gcc forkdemo.c -o forkdemo

然後執行編譯出來的 forkdemo 程式：

$ ./forkdemo

fork 函數的特點是 "呼叫一次，返回兩次"：在父進程中呼叫一次，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，並且返回後都將執行 fork 函數呼叫之後的語句。如果 fork 函數呼叫失敗，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，那麼子進程仍然可以呼叫 getpid 函數得到自己的 PID，也可以呼叫 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 程式時的輸出是會發生變化的，可能先列印父進程的資訊，也可能先列印子進程的資訊。

vfork 系統呼叫

vfork 系統呼叫和 fork 系統呼叫的功能基本相同。vfork 系統呼叫建立的進程共用其父進程的記憶體地址空間，但是並不完全複製父進程的資料段，而是和父進程共用其資料段。為了防止父進程重寫子進程需要的資料，父進程會被 vfork 呼叫阻塞，直到子進程退出或執行一個新的程式。由於呼叫 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，那麼執行程式時輸出資訊的順序就不會變化了。

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

exec 族函數

使用 fork/vfork 建立子進程後執行的是和父進程相同的程式（但有可能執行不同的程式碼分支），子進程往往需要呼叫一個 exec 族函數以執行另外一個程式。當進程呼叫 exec 族函數時，該進程的使用者空間程式碼和資料完全被新程式替換，從新程式的起始處開始執行。呼叫 exec 族函數並不建立新進程，所以呼叫 exec 族函數前後該進程的 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" 的表示其引數個數不確定，帶字母 "v" 的表示使用字串陣列指標 argv 指向參數列。
函數名字中含有字母 "p" 的表示可以自動在環境變數 PATH 指定的路徑中搜尋要執行的程式。
函數名字中含有字母 "e" 的函數比其它函數多一個引數 envp。該引數是字串陣列指標，用於指定環境變數。呼叫這樣的函數時，可以由使用者自行設定子進程的環境變數，存放在引數 envp 所指向的字串陣列中。

事實上，只有 execve 是真正的系統呼叫，其它五個函數最終都呼叫 execve。這些函數之間的關係如下圖所示(此圖來自網際網路)：

exec 族函數的特徵：呼叫 exec 族函數會把新的程式裝載到當前進程中。在呼叫過 exec 族函數後，進程中執行的程式碼就與之前完全不同了，所以 exec 函數呼叫之後的程式碼是不會被執行的。

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);
        }
        // 子進程要麼從 ls 命令中退出，要麼從上面的 exit(1) 語句退出
        // 所以程式碼的執行路徑永遠也走不到這裡，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;
}

把上面的程式碼儲存到檔案 subprocessdemo.c 檔案中，並執行下面的命令編譯：

$ gcc subprocessdemo.c -o subprocessdemo

然後執行編譯出來的 subprocessdemo程式：

$ ./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。

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