Linux 建立子程序執行任務的實現方法

linux 作業系統緊緊依賴程序建立來滿足使用者的需求。例如，只要使用者輸入一條命令，shell 程序就建立乙個新程序，新程序執行 shell 的另乙個拷貝並執行使用者輸入的命令。linux 系統中通過 fork/vfork 系統呼叫來建立新程序。本文將介紹如何使用 fork/vfork 系統呼叫來建立新程序並使用 exec 族函式在新程序中執行任務。

fork 系統呼叫

要建立乙個程序，最基本的系統呼叫是 fork：

# include

pid_t fork(void);

pid_t vfork(void);

呼叫 fork 時，系統將建立乙個與當前程序相同的新程序。通常將原有的程序稱為父程序，把新建立的程序稱為子程序。子程序是父程序的乙個拷貝，子程序獲得同父程序相同的資料，但是同父程序使用不同的資料段和堆疊段。子程序從父程序繼承大多數的屬性，但是也修改一些屬性，下表對比了父子程序間的屬性差異：

繼承屬性

差異uid,gid,euid,egid

程序 id

程序組 iwww.cppcns.comd

父程序 id

session id

子程序執行時間記錄

所開啟檔案及檔案的偏移量

父程序對檔案的鎖定

控制終端

設定使用者 id 和設定組 id 標記位

檔案預設建立的許可權掩碼

可訪問的記憶體區段

環境變數及其它資源分配

程式設計客棧

下面是乙個常見的演示 fork 工作原理的 demo(筆者的環境為 ubuntu 16.04 desktop)：

#include

int main(void)

if(pid == 0)

else

return 0;

}把上面的**儲存到檔案 forkdemo.c 檔案中，並執行下面的命令編譯：

$ gcc forkdemo.c -o forkdemo

然後執行編譯出來的 forkdemo 程式：

$ ./forkdemo

fork 函式的特點是 "呼叫一次，返回兩次"：在父程序中呼叫一次，在父程序和子程序中各返回一次。在父程序中返回時的返回值為子程序的 pid，而在子程序中返回時的返回值為 0，並且返回後都將執行 fork 函式呼叫之後的語句。如果 fork 函式呼叫失敗，則返回值為 -1。

我們細想會發現，fork 函式的返回值設計還是很高明的。在子程序中 fork 函式返回 0，那麼子程序仍然可以呼叫 getpid 函式得到自己的 pid，也可以呼叫 getppid 函式得到父程序 pid。在父程序中用 getpid 函式可以得到自己的 pid，如果想得到子程序的pid，唯一的辦法就是把 fork 函式的返回值記錄下來。

注意：執行 forkdemo 程式時的輸出是會發生變化的，可能先列印父程序的資訊，也可能先列印子程序的資訊。

vfork 系統呼叫

vfork 系統呼叫和 fork 系統呼叫的功能基本相同。vfork 系統呼叫建立的程序共享其父程序的記憶體位址空間，但是並不完全複製父程序的資料段，而是和父程序共享其資料段。為了防止父程序重寫子程序需要的資料，父程序會被 vfork 呼叫阻塞，直到子程序退出或執行乙個新的程式。由於呼叫 vfork 函式時父程序被掛起，所以如果我們使用 vfork 函式替換 forkdemo 中的 fork 函式，那麼執行程式時輸出資訊的順序就不會變化了。

使用 vfork 建立的子程序一般會通過 exec 族函式執行新的程式。接下來讓我們先了解下 exec 族函式。

exec 族函式

使用 fork/vfork 建立子程序後執行的是和父程序相同的程式（但有可能執行不同的**分支），子程序往往需要呼叫乙個 exec 族函式以執行另外乙個程式。當程序呼叫 exec 族函式時，該程序的使用者空間**和資料完全被新程式替換，從新程式的起始處開始執行。呼叫 exec 族函式並不建立新程序，所以呼叫 exec 族函式前後該程序的 pid 並不改變。

exec 族函式一共有六個：

#include

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 ar**);

int execvp(const char *file, char *const ar**);

int execve(const char *path, char *const ar**, char *const envp);

函式名字中帶字母 "l" 的表示其引數個數不確定，帶字母 "v" 的表示使用字串陣列指標 ar** 指向引數列表。

函式名字中含有字母 "p" 的表示可以自動在環境變數 path 指定的路徑中搜尋要執行的程式。

函式名字中含有字母 "e" 的函式比其它函式多乙個引數 envp。該引數是字串陣列指標，用於指定環境變數。呼叫這樣的函式時，可以由使用者自行設定子程序的環境變數，存放在引數 envp 所指向的字串陣列中。

事實上，只有 execve 是真正的系統呼叫，其它五個函式最終都呼叫 execve。這些函式之間的關係如下圖所示(此圖來自網際網路)：

exec 族函式的特徵：呼叫 exec 族函式會把新的程式裝載到當前程序中。在呼叫過 exec 族函式後，程序中執行的**就與之前完全不同了，所以 exec 函程式設計客棧數呼叫之後的**是不會被執行的。

在子程序中執行任務

下面讓程式設計客棧我們通過 vfork 和 execve 函式實現在子程序中執行 ls 命令：

#include

int main(void)

else if(pid==0)

; char *envp[ ]=;

if(execve("/bin/ls", ar**, envp) < 0)

// 子程序要麼從 ls 命令中退出，要麼從上面的 exit(1) 語句退出

// 所以**的執行路徑永遠也走不到這裡，下面的 printf 語句不會被執行

printf("you should never see this message.");

} else

return 0;

}把上面的**儲存到檔案 subprocessdemo.c 檔案中，並執行下面的命令編譯：

$ gcc subprocessdemo.c -o subprocessdemo

然後執行編譯出來的 subprocessdemo程式：

$ ./subprocessdemo

總結fork/vfork 函式和 exec 族函式都是 linux 系統中非常重要的概念。本文試圖通過簡單的 demo 來演示這些函式的基本用法，為理解 linux 系統中父程序與子程序的概念提供一些直觀的感受。

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