Linux APUE学习：7、C程序的进程控制(二)

文件共享

​ 如果父进程和子进程写同一描述符指向的文件，但又没有任何形式的同步(如使父进程等待子进程)，那么它们的输出就会相互混合(假定所用的述符是在 fork 之前打开的)。

​ 在fork之后处理文件描述符有以下两种常见的情况：

  1. 父进程等待子进程完成。在这种情况下，父进程无需对其描述符做任何处理。当子进程终止后，它曾进行过读、写操作的任一共享的描述符的文件偏移量已做了相应更新（即子进程终止，子进程共享的文件描述符已经被close过一次）。
  2. 父进程和子进程各自执行不同的程序。在这种情况下，在 fork 之后，父进和子进程各自关闭它们不需使用的文件描述符，这样就不会干扰对方使用的文件描述符。这种方法是网络服务进程经常使用的。

​ fork一般有以下两种用法：

  1. 一个父进程希望复制自己，使得父进程和子进程同时执行不同的代码段。这在网络服务进程中是常见的——父进程等待客户端的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求。
  2. 一个进程要执行一个不同的程序。这对shell是常见的情况。在这种情况下，子进程从fork返回后立即调用exec。

exec*族函数

​ 在前面Linux-APUE学习：3、C程序的启动和终止时提到，内核执行一个c程序实际上是调用了一个exec函数。

​ exec 函数族用于执行新的程序，它会将当前进程替换为一个新的程序。当调用 exec 函数族中的任意一个函数时，新程序会完全取代原来的程序，包括进程的代码、数据、堆栈等。

​ 以下是exec函数族的部分列出：

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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[]); 
... ...

​ 在上面的函数名中，l 表示以列表(list)的形式传递要执行程序的命令行参数，而v表示以数组(vector)的形式传递要执行程序的 命令行参数，而v表示给该命令传递环境变量(environment)。在这么多的函数调用中，我们选择一个实现即可，因为execl()函数 的参数相对简单些所以使用它要多些。

​ 这里以一个execl()例程的示例来进行演示：

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noah@raspberrypi:~ $ ifconfig wlan0
wlan0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.0.114  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.0.255
        inet6 fe80::5cce:3b12:b977:c50a  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether dc:a6:32:c2:93:41  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 869961  bytes 187807095 (179.1 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 510589  bytes 155857354 (148.6 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

​ 我们知道，在Linux下可以使用命令ifconfig wlan0来获取网卡wlan0的IP地址。其实ifconfig命令本身是一个程序，这样我们可以在程序里创建一个子进程来执行这个程序即可。如果我们想在C程序代码里获取IP地址，C程序不可能像人眼一样在屏幕上获取IP地址（标准输出默认到屏幕上），这时候就需要在子进程里将标准输出重定向到文件里，这样命令的打印信息会输出到该文件中。之后父进程就可以从该文件中读出相应的内容并作 相应的字符串解析，就可以获取到IP地址了。

​ 下面是该功能程序的实现源码和注释：源码地址

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>

// 在内存中的文件系统/tmp
#define TMP_FILE "/tmp/.ifconfig.log"

int main(int argc, char **argv)
{
	pid_t pid = -1;
	int fd = -1;
	char buf[1024];
	int rv = -1;
	FILE *fp = NULL;
	char *ptr = NULL;
	char *ip_start = NULL;
	char *ip_end = NULL;
	char ipaddr[16];

	// 如果忘记了open参数，其为
	// （文件描述符， 可读可写｜如果不存在则创建｜以可写/可读可写打开时将光标置于文件首， 文件权限）
	// 打开不成功则返回值<0，不存在 = 0，这里不存在则创建，故不可能，打开成功返回该文件的文件描述符
	if ((fd = open(TMP_FILE, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644)) < 0)
	{
		printf("Redirect standard output to file failure: %s\n", strerror(errno));
		return -1;
	}

	if ((pid = fork()) < 0)
	{
		printf("fork() creat child proess failure: %s\n", strerror(errno));
		return -2;
	}
	// 进入子进程
	else if (pid == 0)
	{
		printf("Child proess start excute ifconfig program\n");
		// 重定向函数，把输出重定向至fd文件描述符对应的文件
		dup2(fd, STDOUT_FILENO);

		/*******************重点部分**********************/

		// 执行文件（程序）， 命令， 参数， 最后以NULL结尾
		execl("/sbin/ifconfig", "ifconfig", "wlan0", NULL);

		// execl并不会返回，执行execl后，该进程将抛弃父进程的文本段、数据段，加载指定参数的程序的文本、数据段并重新建立内存空间
		// 若exec*类的函数返回，则说明发生错误
		printf("Child proess excute another program, But now return, it mean is execl() error\n");
		return -3;
	}
	else
	{
		// 父进程等待3s，等待子进程先执行
		sleep(3);
	}

	// 由于子进程已经丢弃父进程的文本段，故不会运行到这
	// 只有父进程会运行到此
	memset(buf, 0, sizeof(buf));

	// 此时读不到任何东西，因为子进程往文件写内容将文件偏移量修改到文件尾部了
	rv = read(fd, buf, sizeof(buf));
	printf("Read %d bytes date dierectly read after child proess write\n", rv);

	memset(buf, 0, sizeof(buf));
	// 将文件偏移量移至文件头
	lseek(fd, 0, SEEK_SET);
	rv = read(fd, buf, sizeof(buf));
	printf("Read %d bytes date dierectly read after child proess write\n", rv);

	// 一行一行的读取
	memset(buf, 0, sizeof(buf));
	// 转化成文件流
	fp = fdopen(fd, "r");

	fseek(fp, 0, SEEK_SET);
	while (fgets(buf, sizeof(buf), fp)) // 一次读一行，读到文件尾返回NULL
	{
		// 如果行中包含netmask
		if (strstr(buf, "netmask"))
		{
			ptr = strstr(buf, "inet");
			if (!ptr)
			{
				break;
			}
			// 跳过字符inet
			ptr += strlen("inet");

			// inet后是空白符，不清楚是空格还是TAB，用isblank()判断
			// 若是空白符则跳过
			while (isblank(*ptr))
			{
				ptr++;
			}

			// 跳过空白符后是IP地址的起始字符
			ip_start = ptr;

			// IP地址的点分十进制后是空白符，故只要判断出现空白符后视为IP地址的尾
			while (!isblank(*ptr))
			{
				ptr++;
			}

			ip_end = ptr;
			// 使用memcpy()将ip_start~ip_end两指针中间的内存
			memcpy(ipaddr, ip_start, ip_end - ip_start);
			break;
		}
	}

	printf("Parser and get IP address: %s\n", ipaddr);

	fclose(fp);
	unlink(TMP_FILE);

	return 0;
}

​ 运行结果和ifconfig wlan0对比

运行结果

vfork()系统调用

​ 在上面的例子中我们可以看到，在fork()之后常会紧跟着调用exec来执行另外一个程序，而exec会抛弃父进程的文本段、数据 段和堆栈等并加载另外一个程序，所以现在的很多fork()实现并不执行一个父进程数据段、堆和栈的完全副本拷贝。作为替代， 使用了写时复制(CopyOnWrite)技术： 这些数据区域由父子进程共享，内核将他们的访问权限改成只读，如果父进程和子进程 中的任何一个试图修改这些区域的时候，内核再为修改区域的那块内存制作一个副本。

​ vfork()是另外一个可以用来创建进程的函数，他与fork()的用法相同，也用于创建一个新进程。 但vfork()并不将父进程的地址 空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec或exit()，于是也就不会引用该地址空间了。不过子进程再调用exec()或 exit()之前，他将在父进程的空间中运行，但如果子进程想尝试修改数据域(数据段、堆、栈)都会带来未知的结果，因为他会影响了父进程空间的数据可能会导致父进程的执行异常。此外，vfork()会保证子进程先运行，在他调用了exec或exit()之后父进程才 可能被调度运行。如果子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁。

​ 总的来说，vfork()函数被一些人认为是有瑕疵的函数，在SUSv3 中，vfork()被标记为弃用的接口，在SUSv4 中被究全删除。可移植的应用程序不应该使用这个函数。

​ vfork()的函数原型和fork()原型一样：

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#include  <unistd.h>
#include  <sys/types.h>

pid_t fork(void); 
pid_t vfork(void);