Linux高性能服务器编程-游双——第十三章 多进程编程

• fork系统调用以及替换进程映像的exec系类系统调用
• 僵尸进程以及如何避免
• 进程间通信的简单方式：管道
• 三种进程间通信方式
• 进程间传递文件描述符的通用方法

13.1 fork系统调用

#include 
#include 
pid_t fork(void);

• 函数调用返回两次，父进程返回子进程的PID，子进程返回0。
• 根据返回值判断是在子进程还是父进程
• fork函数复制当前进程，在内核进程表中创建一个新的进程表项。复制了堆指针、栈指针和标志寄存器的值。但是原进程设置的信号处理函数不再对新进程起作用。
• 子进程代码与父进程完全一致，会复制父进程的数据，这个复制是写时复制，也就是只有在任一进程对数据执行写操作时候，复制才会发生。
• 创建子进程后，父进程中打开的文件描述符默认在子进程中也是打开的，而且文件描述符的引用计数+1。

13.2 exec系统调用

• 子进程中执行其他程序，替换当前进程映像，需要使用exec系列系统调用

#incldue 
extern char** environ;
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, const char* argv[]);
int execvp(const char* file, const char* argv[]);
int execve(const char* path, const char* arg[], char* const envp[]);

• path指定可执行文件完整路径
• file可以接受文件名，文件具体位置从PATH中搜索。
• arg接受可变参数
• argv接受参数列表
• arg和argv都会传递给新程序的main函数
• envp设置新程序的环境变量，未设置的画右全局变量environ指定。
• exec函数不会关闭原程序打开的文件描述符，除非该文件描述符被设置了类似SOCK_CLOEXEC属性。

13.3 处理僵尸进程

• 父进程一般需要跟踪子进程的退出状态。

• 当子进程结束运行时，内核不会立刻释放进程表项。

• 僵尸态：子进程结束运行之后，父进程读取其退出状态之前，称该子进程处于僵尸态。

• 以下函数在父进程中调用，等待子进程结束，获取子进程返回信息，避免僵尸进程的产生

#include 
#include 
pid_t wait(int* stat_loc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int option);

• wait函数阻塞进程，直到该进程的某一个子进程结束运行，返回结束运行的子进程的PID，并将该子进程的退出状态信息存储在stat_loc指向的内存中。
  • 子进程状态信息：
    
• waitpid可以设置为非阻塞状态。waitpid只等待由pid参数指定的子进程。如果pid=-1，其含义就和wait一样，等待任意一个结束的子进程。stat_loc含义和wait一致。option取值是WNOHANG时，waitpid的调用是非阻塞的：如果pid指定的目标子进程还没结束或意外终止，waitpid立刻返回0；正常退出返回子进程pid；调用失败返回-1。
  • 要在事件以及发生的时候调用非阻塞才能提高程序效率，SIGCHLD信号正是为此而生，当一个进程结束后，他会给父进程发送一个SIGCHLD信号，所以可以在父进程中捕捉SIGCHLD信号，并在信号处理函数中调用waitpid函数以彻底结束一个子进程。

static void handle_child(int sig){
	pid_t pid;
	int stat;
	while((pid == waitpid(-1, &stat, WNOHANG))>0){
		//对结束子进程善后
	}
}

13.4 管道

• 管道能在父进程和子进程之间传递数据。
• 因为文件描述符在父子进程都保持，但是必须一个关fd[0],一个关fd[1]。
  
• 要实现父子双向数据传输，需要两个管道
• 管道只能用于有关联的两个进程（父子进程）的通信。

3种System V IPC能用于无关联的多个进程之间的通信，因为他们都使用一个全局唯一的键值来标记一条信道。【信号量、共享内存、消息队列】 FIFO也能用于无关联进程之间的通信。但网络编程使用不多。 13.5 信号量 13.5.1 信号量原语

• 多个进程访问系统的某个资源，（同时写数据库某条记录，同时修改某个文件），就需要考虑进程间的同步问题，确保任一时刻只有一个进程可以拥有对资源独占式的访问。
• 信号量：一种特殊变量，只有P（获取，进入临界区）、V（释放，退出临界区）两种操作
  • P(SV)，如果SV的值大于0，就-1，如果SV的值为0，就挂起进程
  • V（SV），如果有其他进程因为等待SV而被挂起，则唤醒，否则将SV+1。
    

13.5.2 semget系统调用

• semget用于创建一个新的信号量集，或者获取一个已经存在的信号量集

#include 
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

• key参数是一个键值，用来标志全局唯一的信号量集，就像文件名全局唯一标志一个文件 一样。
• num_sems：指定要床啊金的信号量集中信号量的数目，如果是创建信号量，该值必须指定，如果是获取已经存在的信号量，该值可以设置为0
• sem_flags：指定一组标志，低端的9个bite是信号量的权限，格式和含义与open的mode参数一致。可以和IPC_CREAT表示做按位或运算以创建新的信号量集。可以联合使用IPC_CREAT和IPC_EXCL表示确保创建的是新的唯一的信号量集，如果这时候该信号量集存在，semget返回错误并设置errno为EEXIST
• semget成功返回一个正整数，也就是信号量集的标识符，失败返回-1并设置errno。
• semget创建一个新的信号量，与之相关的内核数据结构体semid_ds也将被创建

struct semid_ds {
	struct ipc_perm sem_perm;	//信号量操作权限
	unsigned long int sem_nsems;	//该信号量集中的信号量数目
	time_t sem_otime;			//最后一次调用semop的时间
	time_t sem_ctime;			//最后依次调用semctl的时间
	.....	//其他省略
}:

struct ipc_perm{
	key_t key;	//键值
	uid_t uid;	//所有者的uid
	gid_t gid;	//所有者的gid
	uid_t cuid;	//创建者的uid
	git_t cgid;	//创建者的gid
	mode_t mode;	//访问权限
	...//省略其他
};

semget将会对semid_ds结构体进行初始化

13.5.3 semop系统调用

• semop系统调用改变信号量的值，也就是执行P、V操作。
• 与信号量相关联的一些重要的内核变量：
  • unsigned short semval; //信号量的值
  • unsigned short semzcnt; //等待信号量变为0的进程数量
  • unsigned short semncnt; //等待信号量值增加的进程数量
  • pid_t sempid; //最后依次执行semop操作的进程ID
• semop对信号量的操作也就是对上边介绍的内核变量的操作。

#include 
int semop(int sem_id, struct sembuf* semops, size_t num_sem_ops);
struct sembuf{
	unsigned short int sem_num;
	short int sem_op;
	short int sem_flg;
};

• sem_id：semget返回的信号量集标识符
• sumops指向sembuf类型结构体的数组：
  • sem_num是信号量集中信号量的编号，0代表信号量集的第一个信号量，以此类推
  • sem_op指定操作类型，可选值：正整数，0、负整数，不过手sem_flg的影响
  • sem_flg的可选值为IPC_NOWAIT和SEM_INDO
• semop成功返回0，失败返回-1并设置errno

13.5.4 semctl系统调用

• semctl允许调用者对信号量了进行直接控制

#include 
int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

• sem_id:信号量集标识符

• sem_num:信号量集中的哪个信号量

• command：要执行的命令

• 有的命令需要第四个参数，第四个参数可以用户自定义，但sys/sem.h推荐：
  

• semctl支持的命令
  

13.5.5 特殊键值IPC_PRIVATE

• semget可以给key参数传递一个IPC_PRIVATE的键值，这样无论该信号量存不存在，semget都会创建一个新的信号量。

13.6 共享内存 13.6.1 shmget

• 创建一段新的共享内存， 或者获取一段已经存在的共享内存

#include 
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• key参数是一个键值，用来标志全局唯一的共享内存
• size指定内存大小，单位字节
• shmfg参数与sem_flag参数相同，支持额外的SHM_HUGETLB和SHM_NORESERVE
  • SHM_HUGETLB：系统使用大页面来为共享内存分配空间
  • SHM_NORESERVE：类似mmap的MAP_NORESERVE，不会共享内存保留交换分区。
• shmget成功返回正整数，也就是共享内存的标识符。失败返回-1.

略

13.7 消息队列

• 两个进程间传递二进制数据块的方式。

13.7.1 msgget系统调用

• 用于创建一个消息队列

#include 
int msgget(key_t key, int msgflg);

13.7.2 msgsnd

• 用于把一条消息添加到消息队列

#include 
int msgsnd(int msqid, const void* msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);

struct msgbuf{
	long mtype;//消息类型
	char mtext[512];//消息数据
};

• msg_ptr必须是msgbuf类型。
• 成功返回0，失败返回-1.

13.7.3 msgrcv系统调用

• 从消息队列中获取消息

#include 
int msgrcv(int msqid, void* msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg);

13.7.4 msgctl系统调用

用于控制消息队列某些属性

#incldue 
int msgctl(int msqid, int command, struct msqid_ds* buf);

13.8 IPC命令 13.9 进程间传递文件描述符

• 文件描述符可以很容易从父进程到子进程
• 但是如何从子进程到父进程，可以使用UNIX的socket在进程之间传递辅助数据，以实现进程间文件描述符传递。