Linux下的多进程编程

1、进程

1.1进程的定义

《计算机操作系统》这门课对进程有这样的描述：进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体;在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

1.2进程的概念

进程的概念主要有两点：

第一，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。

第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时，它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

进程是操作系统中最基本、重要的概念。是多道程序系统出现后，为了刻画系统内部出现的动态情况，描述系统内部各道程序的活动规律引进的一个概念,所有多道程序设计操作系统都建立在进程的基础上。

操作系统引入进程的概念的原因:

从理论角度看，是对正在运行的程序过程的抽象；

从实现角度看，是一种数据结构，目的在于清晰地刻划动态系统的内在规律，有效管理和调度进入计算机系统主存储器运行的程序。

1.3进程的特征

主要特征：

1. 动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
2. 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
3. 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
4. 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
5. 结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

多个不同的进程可以包含相同的程序：一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果；但是执行过程中，程序不能发生改变。

1.4进程切换

进行进程切换就是从正在运行的进程中收回处理器，然后再使待运行进程来占用处理器。

这里所说的从某个进程收回处理器，实质上就是把进程存放在处理器的寄存器中的中间数据找个地方存起来，从而把处理器的寄存器腾出来让其他进程使用。那么被中止运行进程的中间数据存在何处好呢？当然这个地方应该是进程的私有堆栈。

让进程来占用处理器，实质上是把某个进程存放在私有堆栈中寄存器的数据（前一次本进程被中止时的中间数据）再恢复到处理器的寄存器中去，并把待运行进程的断点送入处理器的程序指针PC，于是待运行进程就开始被处理器运行了，也就是这个进程已经占有处理器的使用权了。

在切换时，一个进程存储在处理器各寄存器中的中间数据叫做进程的上下文，所以进程的切换实质上就是被中止运行进程与待运行进程上下文的切换。在进程未占用处理器时，进程的上下文是存储在进程的私有堆栈中的。

1.5Linux下进程的结构

在Linux操作系统中，进程在内存里有三部分的数据，就是“数据段”、“堆栈段”和“代码段”。简单的说“代码段”，顾名思义，就是存放了程序代码的数据，假如机器中有数个进程运行相同的一个程序，那么它们就可以使用同一个代码段。  
堆栈段存放的就是子程序的返回地址、子程序的参数以及程序的局部变量。而数据段则存放程序的全局变量，常数以及动态数据分配的数据空间（比如用malloc之类的函数取得的空间）。

2、fork()函数

在Linux下产生新的进程的系统调用就是fork函数。fork是最难理解的概念之一：它执行一次却返回两个值。fork函数是Unix系统最杰出的成就之一，它是七十年代UNIX早期的开发者经过长期在理论和实践上的艰苦探索后取得的成果，一方面，它使操作系统在进程管理上付出了最小的代价，另一方面，又为程序员提供了一个简洁明了的多进程方法。与DOS和早期的Windows不同，Unix/Linux系统是真正实现多任务操作的系统，可以说，不使用多进程编程，就不能算是真正的Linux环境下编程。

示例：

void main(){
    int i;
    if (fork() == 0) {
        /* 子进程程序 */
        for (i = 1; i <1000; i++)
            printf("This is child process
");
    }
    else {
        /* 父进程程序*/
        for (i = 1; i <1000; i++)
            printf("This is parent process
");
    }
}

程序运行后，就能看到屏幕上交替出现子进程与父进程各打印出的一千条信息了。如果程序还在运行中，你用ps命令就能看到系统中有两个它在运行了。  
那么调用这个fork函数时发生了什么呢？一个程序一调用fork函数，系统就为一个新的进程准备了前述三个段，首先，系统让新的进程与旧的进程使用同一个代码段，因为它们的程序还是相同的，对于数据段和堆栈段，系统则复制一份给新的进程，这样，父进程的所有数据都可以留给子进程，但是，子进程一旦开始运行，虽然它继承了父进程的一切数据，但实际上数据却已经分开，相互之间不再有影响了，也就是说，它们之间不再共享任何数据了。而如果两个进程要共享什么数据的话，就要使用另一套函数（shmget，shmat，shmdt等）来操作。现在，已经是两个进程了，对于父进程，fork函数返回了子程序的进程号，而对于子程序，fork函数则返回零，这样，对于程序，只要判断fork函数的返回值，就知道自己是处于父进程还是子进程中。  

有个疑问：如果一个大程序在运行中，它的数据段和堆栈都很大，一次fork就要复制一次，那么fork的系统开销不是很大吗？

其实Linux自有其解决的办法，大家知道，一般CPU都是以“页”为单位分配空间的，象INTEL的CPU，其一页在通常情况下是4K字节大小，而无论是数据段还是堆栈段都是由许多“页”构成的，fork函数复制这两个段，只是“逻辑”上的，并非“物理”上的，也就是说，实际执行fork时，物理空间上两个进程的数据段和堆栈段都还是共享着的，当有一个进程写了某个数据时，这时两个进程之间的数据才有了区别，系统就将有区别的“页”从物理上也分开。系统在空间上的开销就可以达到最小。  

如何搞死Linux系统，看下面的小程序：

void main()  
{  
       for(;;) fork();  
}  

这个程序什么也不做，就是死循环地fork，其结果是程序不断产生进程，而这些进程又不断产生新的进程，很快，系统的进程就满了，系统就被这么多不断产生的进程"撑死了"。用不着是root权限，任何人运行上述程序都足以让系统死掉。哈哈，但这不是Linux不安全的理由，因为只要系统管理员足够聪明，他（或她）就可以预先给每个用户设置可运行的最大进程数，这样，只要不是root，任何能运行的进程数也许不足系统总的能运行和进程数的十分之一。这样，系统管理员就能对付上述恶意的程序了。  

2.1如何启动另一程序的执行

下面我们来看看一个进程如何来启动另一个程序的执行。在Linux中要使用exec类的函数，exec类的函数不止一个，但大致相同，在Linux中，它们分别是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp，下面以execlp为例，其它函数究竟与execlp有何区别，请通过man exec命令来了解它们的具体情况。  一个进程一旦调用exec类函数，它本身就“死亡”了，系统把代码段替换成新的程序的代码，废弃原有的数据段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段与堆栈段，唯一留下的，就是进程号，也就是说，对系统而言，还是同一个进程，不过已经是另一个程序了。（不过exec类函数中有的还允许继承环境变量之类的信息。）  

那么如果当前程序想启动另一程序的执行但自己仍想继续运行的话，怎么办呢？那就是结合fork与exec的使用。

下面一段代码显示如何启动运行其它程序：  

char command[256];
void main()
{
    int rtn; /*子进程的返回数值*/
    while (1) {
        /* 从终端读取要执行的命令 */
        printf(">");
        fgets(command, 256, stdin);
        command[strlen(command) - 1] = 0;
        if (fork() == 0) {
            /* 子进程执行此命令 */
            execlp(command, command);
            /* 如果exec函数返回，表明没有正常执行命令，打印错误信息*/
            perror(command);
            exit(errorno);
        }
        else {
            /* 父进程， 等待子进程结束，并打印子进程的返回值 */
            wait(&rtn);
            printf(" child process return %d
",rtn);
        }
    }
}

此程序从终端读入命令并执行之，执行完成后，父进程继续等待从终端读入命令。熟悉DOS和WINDOWS系统调用的朋友一定知道DOS/WINDOWS也有exec类函数，其使用方法是类似的，但DOS/WINDOWS还有spawn类函数，因为DOS是单任务的系统，它只能将“父进程”驻留在机器内再执行“子进程”，这就是spawn类的函数。WIN32已经是多任务的系统了，但还保留了spawn类函数，WIN32中实现spawn函数的方法同前述Linux中的方法差不多，开设子进程后父进程等待子进程结束后才继续运行。Linux在其一开始就是多任务的系统，所以从核心角度上讲不需要spawn类函数。  
另外，有一个更简单的执行其它程序的函数system，它是一个较高层的函数，实际上相当于在SHELL环境下执行一条命令，而exec类函数则是低层的系统调用。

3、Linux下的进程间通信 

首先，进程间通信至少可以通过传送打开文件来实现，不同的进程通过一个或多个文件来传递信息，事实上，在很多应用系统里，都使用了这种方法。但一般说来，进程间通信（IPC：Inter Process Communication）不包括这种似乎比较低级的通信方法。Unix系统中实现进程间通信的方法很多，而且不幸的是，极少方法能在所有的Unix系统中进行移植（唯一一种是半双工的管道，这也是最原始的一种通信方式）。而Linux作为一种新兴的操作系统，几乎支持所有的Unix下常用的进程间通信方法：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接口等等。

3.1管道 

管道是进程间通信中最古老的方式，它包括无名管道和有名管道两种，前者用于父进程和子进程间的通信，后者用于运行于同一台机器上的任意两个进程间的通信。 

无名管道由pipe()函数创建： 

#include <unistd.h> 
int pipe(int filedis[2]);

参数filedis返回两个文件描述符：filedes[0]为读而打开，filedes[1]为写而打开。filedes[1]的输出是filedes[0]的输入。

下面的例子示范了如何在父进程和子进程间实现通信。

#define INPUT 0 
#define OUTPUT 1 

void main() {
    int file_descriptors[2];
    /*定义子进程号 */
    pid_t pid;
    char buf[256];
    int returned_count;
    /*创建无名管道*/
    pipe(file_descriptors);
    /*创建子进程*/
    if ((pid = fork()) == -1) {
        printf("Error in fork/n");
        exit(1);
    }
    /*执行子进程*/
    if (pid == 0) {
        printf("in the spawned (child) process.../n");
        /*子进程向父进程写数据，关闭管道的读端*/
        close(file_descriptors[INPUT]);
        write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));
        exit(0);
    }
    else {
        /*执行父进程*/
        printf("in the spawning (parent) process.../n");
        /*父进程从管道读取子进程写的数据，关闭管道的写端*/
        close(file_descriptors[OUTPUT]);
        returned_count = read(file_descriptors[INPUT], buf, sizeof(buf));
        printf("%d bytes of data received from spawned process: %s/n",
            returned_count, buf);
    }
}

 在Linux系统下，有名管道可由两种方式创建：命令行方式mknod系统调用和函数mkfifo。下面的两种途径都在当前目录下生成了一个名为myfifo的有名管道：
方式一：mkfifo("myfifo","rw"); 
方式二：mknod myfifo p 
生成了有名管道后，就可以使用一般的文件I/O函数如open、close、read、write等来对它进行操作。

下面即是一个简单的例子，假设我们已经创建了一个名为myfifo的有名管道。

/* 进程一：读有名管道*/
#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
void main() {
    FILE * in_file;
    int count = 1;
    char buf[80];
    in_file = fopen("mypipe", "r");
    if (in_file == NULL) {
        printf("Error in fdopen./n");
        exit(1);
    }
    while ((count = fread(buf, 1, 80, in_file)) > 0)
        printf("received from pipe: %s/n", buf);
    fclose(in_file);
}
　 /* 进程二：写有名管道*/
#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
void main() {
    FILE * out_file;
    int count = 1;
    char buf[80];
    out_file = fopen("mypipe", "w");
    if (out_file == NULL) {
        printf("Error opening pipe.");
        exit(1);
    }
    sprintf(buf, "this is test data for the named pipe example/n");
    fwrite(buf, 1, 80, out_file);
    fclose(out_file);
}

3.2消息队列 

消息队列用于运行于同一台机器上的进程间通信，它和管道很相似，事实上，它是一种正逐渐被淘汰的通信方式，我们可以用流管道或者套接口的方式来取代它，所以，我们对此方式也不再解释，也建议读者忽略这种方式。

3.3共享内存 

共享内存是运行在同一台机器上的进程间通信最快的方式，因为数据不需要在不同的进程间复制。通常由一个进程创建一块共享内存区，其余进程对这块内存区进行读写。得到共享内存有两种方式：映射/dev/mem设备和内存映像文件。前一种方式不给系统带来额外的开销，但在现实中并不常用，因为它控制存取的将是实际的物理内存，在Linux系统下，这只有通过限制Linux系统存取的内存才可以做到，这当然不太实际。常用的方式是通过shmXXX函数族来实现利用共享内存进行存储的。

首先要用的函数是shmget，它获得一个共享存储标识符。 

#include <sys/types.h> 
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/shm.h> 
int shmget(key_t key, int size, int flag); 

 这个函数有点类似大家熟悉的malloc函数，系统按照请求分配size大小的内存用作共享内存。Linux系统内核中每个IPC结构都有的一个非负整数的标识符，这样对一个消息队列发送消息时只要引用标识符就可以了。这个标识符是内核由IPC结构的关键字得到的，这个关键字，就是上面第一个函数的key。数据类型key_t是在头文件sys/types.h中定义的，它是一个长整形的数据。

 当共享内存创建后，其余进程可以调用shmat（）将其连接到自身的地址空间中。 

 void *shmat(int shmid, void *addr, int flag); 

shmid为shmget函数返回的共享存储标识符，addr和flag参数决定了以什么方式来确定连接的地址，函数的返回值即是该进程数据段所连接的实际地址，进程可以对此进程进行读写操作。
使用共享存储来实现进程间通信的注意点是对数据存取的同步，必须确保当一个进程去读取数据时，它所想要的数据已经写好了。通常，信号量被要来实现对共享存储数据存取的同步，另外，可以通过使用shmctl函数设置共享存储内存的某些标志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等来实现。

3.4信号量 

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是前一节的共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：

1. 测试控制该资源的信号量。 
2. 若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将进号量减1。 
3. 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。 
4. 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。 

维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include　/linux　/sem.h中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获得一个信号量ID。

#include <sys/types.h> 
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/sem.h> 
int semget(key_t key, int nsems, int flag); 

key是前面讲过的IPC结构的关键字，它将来决定是创建新的信号量集合，还是引用一个现有的信号量集合。nsems是该集合中的信号量数。如果是创建新集合（一般在服务器中），则必须指定nsems；如果是引用一个现有的信号量集合（一般在客户机中）则将nsems指定为0。
semctl函数用来对信号量进行操作。 

 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg); 

不同的操作是通过cmd参数来实现的，在头文件sem.h中定义了7种不同的操作，实际编程时可以参照使用。 
semop函数自动执行信号量集合上的操作数组。 

 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops); 

semoparray是一个指针，它指向一个信号量操作数组。nops规定该数组中操作的数量。 
下面，我们看一个具体的例子，它创建一个特定的IPC结构的关键字和一个信号量，建立此信号量的索引，修改索引指向的信号量的值，最后我们清除信号量。在下面的代码中，函数ftok生成我们上文所说的唯一的IPC关键字。

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/sem.h> 
#include <sys/ipc.h> 
void main() {
    key_t unique_key; /* 定义一个IPC关键字*/
    int id;
    struct sembuf lock_it;
    union semun options;
    int i;

    unique_key = ftok(".", 'a'); /* 生成关键字，字符'a'是一个随机种子*/
    /* 创建一个新的信号量集合*/
    id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    printf("semaphore id=%d/n", id);
    options.val = 1; /*设置变量值*/
    semctl(id, 0, SETVAL, options); /*设置索引0的信号量*/

    /*打印出信号量的值*/
    i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
    printf("value of semaphore at index 0 is %d/n", i);

    /*下面重新设置信号量*/
    lock_it.sem_num = 0; /*设置哪个信号量*/
    lock_it.sem_op = -1; /*定义操作*/
    lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/
    if (semop(id, &lock_it, 1) == -1) {
        printf("can not lock semaphore./n");
        exit(1);
    }

    i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
    printf("value of semaphore at index 0 is %d/n", i);

    /*清除信号量*/
    semctl(id, 0, IPC_RMID, 0);
}

3.5套接口

套接口（socket）编程是实现Linux系统和其他大多数操作系统中进程间通信的主要方式之一。我们熟知的WWW服务、FTP服务、TELNET服务等都是基于套接口编程来实现的。除了在异地的计算机进程间以外，套接口同样适用于本地同一台计算机内部的进程间通信。

文章摘选：http://blog.csdn.net/wallwind/article/details/6899493