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Linux系统编程之多任务实现(一)

    在系统编程中实现多任务一般使用fork函数,其需要的头文件:

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

  Fork函数原型如下:

  pid_t fork(void);

  功能:

  用于从一个已存在的进程中创建一个新进程,新进程称为子进程,原进程称为父进程。

  参数:无

  返回值:

  成功:子进程中返回 0,父进程中返回子进程 ID。pid_t,为无符号整型。

  失败:返回 -1。

  失败的两个主要原因是:

  1)当前的进程数已经达到了系统规定的上限,这时 errno 的值被设置为 EAGAIN。

  2)系统内存不足,这时 errno 的值被设置为 ENOMEM。

  测试示例如下:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	fork();
	printf("id ==== %d\n", getpid());	// 获取进程号
	
	return 0;
}

  运行结果:

  从运行结果,我们可以看出,fork() 之后的打印函数打印了两次,而且打印了两个进程号,这说明,fork() 之后确实创建了一个新的进程,新进程为子进程,原来的进程为父进程。

  那子进程长什么样的呢?

  使用 fork() 函数得到的子进程是父进程的一个复制品,它从父进程处继承了整个进程的地址空间:包括进程上下文(进程执行活动全过程的静态描述)、进程堆栈、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号等。子进程所独有的只有它的进程号,计时器等(只有小量信息)。因此,使用 fork() 函数的代价是很大的。

  简单来说, 一个进程调用 fork() 函数后,系统先给新的进程分配资源,例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中,只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。

  实际上,更准确来说,Linux 的 fork() 使用是通过写时拷贝 (Copy- On-Write,COW技术) 实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个进程的地址空间,而是让父子进程共享同一个地址空间。只用在需要写入的时候才会复制地址空间,从而使各个进行拥有各自的地址空间。也就是说,资源的复制是在需要写入的时候才会进行,在此之前,只有以只读方式共享。

  子进程是父进程的一个复制品,可以简单认为父子进程的代码一样的。那大家想过没有,这样的话,父进程做了什么事情,子进程也做什么事情(如上面的例子),是不是不能实现满足我们实现多任务的要求呀,那我们是不是要想个办法区别父子进程呀,这就通过 fork() 的返回值。

  fork() 函数被调用一次,但返回两次。两次返回的区别是:子进程的返回值是 0,而父进程的返回值则是新子进程的进程 ID。

  测试代码:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	pid_t pid;
	pid = fork();
	
	if( pid < 0 ){	// 没有创建成功
		perror("fork");
	}
	
	if(0 == pid){ // 子进程
		while(1){
			printf("I am son\n");
			sleep(1);
		}
	}else if(pid > 0){ // 父进程
		while(1){
			printf("I am father\n");
			sleep(1);
		}
	}
	
	return 0;
}

  运行结果:

  通过运行结果,可以看到,父子进程各做一件事(各自打印一句话)。这里,我们只是看到只有一份代码,实际上,fork() 以后,有两个地址空间在独立运行着,有点类似于有两个独立的程序(父子进程)在运行着。需要注意的是,在子进程的地址空间里,子进程是从 fork() 这个函数后才开始执行代码。

  一般来说,在 fork() 之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的。这取决于内核所使用的调度算法

  下面的例子,为验证父子进程各自的地址空间是独立的

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int a = 10;		// 全局变量
int main(int argc, char *argv[])
{
	int b = 20;	//局部变量
	pid_t pid;
	pid = fork();
	
	if( pid < 0 ){	// 没有创建成功
		perror("fork");
	}
	
	if(0 == pid){ // 子进程
		a = 111;
		b = 222;	// 子进程修改其值
		printf("son: a = %d, b = %d\n", a, b);
	}else if(pid > 0){ // 父进程
		sleep(1);	// 保证子进程先运行,但不保证1秒足够
		printf("father: a = %d, b = %d\n", a, b);
	}
	
	return 0;
}

  运行结果:

  通过得知,在子进程修改变量 a,b 的值,并不影响到父进程 a,b 的值。

  在以后的编程中,fork() 之后最好是加上判断,区别哪个是子进程的空间,哪个为父进程的空间,否则,fork() 以后的代码为父子进程各有一份,对于用户而言,没有太大意义,如例子1。

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