Linux啓動新進程的幾種方法及比較

 

Linux啓動新進程的幾種方法及比較

Linux多進程創建新進程

有時候，我們需要在自己的程序（進程）中啓動另一個程序（進程）來幫助我們完成一些工作，那麼我們需要怎麼才能在自己的進程中啓動其他的進程呢？在Linux中提供了不少的方法來實現這一點，下面就來介紹一個這些方法及它們之間的區別。

一、system函數調用

system函數的原型爲：

#include <stdlib.h>
int system (const char *string);

它的作用是，運行以字符串參數的形式傳遞給它的命令並等待該命令的完成。命令的執行情況就如同在shell中執行命令：sh -c string。如果無法啓動shell來運行這個命令，system函數返回錯誤代碼127；如果是其他錯誤，則返回-1。否則，system函數將返回該命令的退出碼。

注意：system函數調用用一個shell來啓動想要執行的程序，所以可以把這個程序放到後臺中執行，這裏system函數調用會立即返回。

可以先先下面的例子，源文件爲new_ps_system.c，代碼如下：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("Running ps with system\n");
    //ps進程結束後才返回，才能繼續執行下面的代碼
    system("ps au");// 1
    printf("ps Done\n");
    exit(0);
}

該程序調用ps程序打印所有與本用戶有關的進程，最後纔打印ps Done。運行結果如下：

如果把註釋1的語句改爲：system("ps au &");則system函數立即返回，不用等待ps進程結束即可執行下面的代碼。所以你看到的輸出，ps Done可能並不是出現在最後一行，而是在中間。

一般來說，使用system函數不是啓動其他進程的理想手段，因爲它必須用一個shell來啓動需要的程序，即在啓動程序之前需要先啓動一個shell，而且對shell的環境的依賴也很大，因此使用system函數的效率不高。

二、替換進程映像——使用exec系列函數

exec系列函數由一組相關的函數組成，它們在進程的啓動方式和程序參數的表達方式上各有不同。但是exec系列函數都有一個共同的工作方式，就是把當前進程替換爲一個新進程，也就是說你可以使用exec函數將程序的執行從一個程序切換到另一個程序，在新的程序啓動後，原來的程序就不再執行了,新進程由path或file參數指定。exec函數比system函數更有效。

exec系列函數的類型爲：

#include <unistd.h>

char **environ;

int execl (const char *path, const char *arg0, ..., (char*)0);
int execlp(const char *file, const char *arg0, ..., (char*)0);
int execle(const char *path, const char *arg0, ..., (char*)0, char *const envp[]);

int execv (const char *path, char *const argv[]);
int execvp(cosnt char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

這類函數可以分爲兩大類，execl、execlp和execle的參數是可變的，以一個空指針結束，而execv、execvp和execve的第二個參數是一個字符串數組，在調用新進程時，argv作爲新進程的main函數的參數。而envp可作爲新進程的環境變量,傳遞給新的進程，從而變量它可用的環境變量。

承接上一個例子，如果想用exec系統函數來啓動ps進程，則這6個不同的函數的調用語句爲：

注：arg0爲程序的名字，所以在這個例子中全爲ps。

char *const ps_envp[] = {"PATH=/bin:usr/bin", "TERM=console", 0};
char *const ps_argv[] = {"ps", "au", 0};

execl("/bin/ps", "ps", "au", 0);
execlp("ps", "ps", "au", 0);
execle("/bin/ps", "ps", "au", 0, ps_envp);

execv("/bin/ps", ps_argv);
execvp("ps", ps_argv);
execve("/bin/ps", ps_argv, ps_envp);

下面我給出一個完整的例子，源文件名爲new_ps_exec.c，代碼如下：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("Running ps with execlp\n");
    execlp("ps", "ps", "au", (char*)0);
    printf("ps Done");
    exit(0);
}

運行結果如下：

細心的話，可以發現，最後的ps Done並沒有輸出，這是偶然嗎？並不是，因爲我們並沒有再一次返回到程序new_ps_exec.exe上，因爲調用execlp函數時，new_ps_exec.exe進程被替換爲ps進程，當ps進程結束後，整個程序就結束了，並沒有回到原來的new_ps_exec.exe進程上，原本的進程new_ps_exec.exe不會再執行，所以語句printf("ps Done");根本沒有機會執行。

注意，一般情況下，exec函數是不會返回的，除非發生錯誤返回-1，由exec啓動的新進程繼承了原進程的許多特性，在原進程中已打開的文件描述符在新進程中仍將保持打開，但任何在原進程中已打開的目錄流都將在新進程中被關閉。

三、複製進程映像——fork函數

1、fork函數的應用

exec調用用新的進程替換當前執行的進程，而我們也可以用fork來複制一個新的進程，新的進程幾乎與原進程一模一樣，執行的代碼也完全相同，但新進程有自己的數據空間、環境和文件描述符。

fork函數的原型爲：

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

pid_t fork();

注：在父進程中，fork返回的是新的子進程的PID，子進程中的fork返回的是0，我們可以通過這一點來判斷父進程和子進程，如果fork調用失敗，它返回-1.

繼承上面的例子，下面我給出一個調用ps的例子，源文件名爲new_ps_fork.c，代碼如下：

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

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    switch(pid)
    {
    case -1:
        perror("fork failed");
        exit(1);
        break;
    case 0:
        //這是在子進程中，調用execlp切換爲ps進程
        printf("\n");
        execlp("ps", "ps", "au", 0);
        break;
    default:
        //這是在父進程中，輸出相關提示信息
        printf("Parent, ps Done\n");
        break;
    }
    exit(0);
}

輸出結果爲：

我們可以看到，之前在第二點中沒有出現的ps Done是打印出來了，但是順序卻有點不對，這是因爲，父進程先於子程序執行，所以先輸出了Parent， ps Done，那有沒有辦法讓它在子進程輸出完之後再輸出，當然有，就是用wait和waitpid函數。注意，一般情況下，父進程與子進程的生命週期是沒有關係的，即便父進程退出了，子進程仍然可以正常運行。

2、等待一個進程

wait函數和waitpid函數的原型爲：

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

pid_t wait(int *stat_loc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);

wait用於在父進程中調用，讓父進程暫停執行等待子進程的結束，返回子進程的PID，如果stat_loc不是空指針，狀態信息將被寫入stat_loc指向的位置。

waitpid等待進程id爲pid的子進程的結束（pid爲-1，將返回任一子進程的信息），stat_loc參數的作用與wait函數相同，options用於改變waitpid的行爲，其中有一個很重要的選項WNOHANG，它的作用是防止waippid調用者的執行掛起。如果子進程沒有結束或意外終止，它返回0，否則返回子進程的pid。

改變後的程序保存爲源文件new_ps_fork2.c，代碼如下：

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

int main()
{
    pid_t pid = fork();
    int stat = 0;
    switch(pid)
    {
    case -1:
        perror("fork failed");
        exit(1);
        break;
    case 0:
        //這是在子進程中，調用execlp切換爲ps進程
        printf("\n");
        execlp("ps", "ps", "au", 0);
        break;
    default:
        //這是在父進程中，等待子進程結束並輸出相關提示信息
        pid = wait(&stat);
        printf("Child has finished: PID = %d\n", pid);
        //檢查子進程的退出狀態
        if(WIFEXITED(stat))
            printf("Child exited with code %d\n", WEXITSTATUS(stat));
        else
            printf("Child terminated abnormally\n");
        printf("Parent, ps Done\n");
        break;
    }
    exit(0);
}

輸出爲：

可以看到這次的輸出終於正常了，Parent的輸出也在子進程的輸出之後。

總結——三種啓動新進程方法的比較

首先是最簡單的system函數，它需要啓動新的shell並在新的shell是執行子進程，所以對環境的依賴較大，而且效率也不高。同時system函數要等待子進程的返回才能執行下面的語句。

exec系統函數是用新的進程來替換原先的進程，效率較高，但是它不會返回到原先的進程，也就是說在exec函數後面的所以代碼都不會被執行，除非exec調用失敗。然而exec啓動的新進程繼承了原進程的許多特性，在原進程中已打開的文件描述符在新進程中仍將保持打開，但需要注意，任何在原進程中已打開的目錄流都將在新進程中被關閉。

fork則是用當前的進程來複製出一個新的進程，新進程與原進程一模一樣，執行的代碼也完全相同，但新進程有自己的數據空間、環境變量和文件描述符，我們通常根據fork函數的返回值來確定當前的進程是子進程還是父進程，即它並不像exec那樣並不返回，而是返回一個pid_t的值用於判斷，我們還可以繼續執行fork後面的代碼。感覺用fork與exec系列函數就能創建很多需的進程。