Linux啟動(dòng)新進(jìn)程的幾種方法及比較

有時(shí)候，我們需要在自己的程序（進(jìn)程）中啟動(dòng)另一個(gè)程序（進(jìn)程）來幫助我們完成一些工作，那么我們需要怎么才能在自己的進(jìn)程中啟動(dòng)其他的進(jìn)程呢？在Linux中提供了不少的方法來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，下面就來介紹一個(gè)這些方法及它們之間的區(qū)別。

一、system函數(shù)調(diào)用

system函數(shù)的原型為：

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

它的作用是，運(yùn)行以字符串參數(shù)的形式傳遞給它的命令并等待該命令的完成。命令的執(zhí)行情況就如同在shell中執(zhí)行命令：sh -c string。如果無法啟動(dòng)shell來運(yùn)行這個(gè)命令，system函數(shù)返回錯(cuò)誤代碼127；如果是其他錯(cuò)誤，則返回-1。否則，system函數(shù)將返回該命令的退出碼。

注意：system函數(shù)調(diào)用用一個(gè)shell來啟動(dòng)想要執(zhí)行的程序，所以可以把這個(gè)程序放到后臺(tái)中執(zhí)行，這里system函數(shù)調(diào)用會(huì)立即返回。

可以先先下面的例子，源文件為new_ps_system.c，代碼如下：

#include stdlib.h> 
#include stdio.h> 
int main() 
{ 
  printf("Running ps with system\n"); 
  //ps進(jìn)程結(jié)束后才返回，才能繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼 
  system("ps au");// 1 
  printf("ps Done\n"); 
  exit(0); 
} 

該程序調(diào)用ps程序打印所有與本用戶有關(guān)的進(jìn)程，最后才打印ps Done。運(yùn)行結(jié)果如下：

如果把注釋1的語句改為：system("ps au ");則system函數(shù)立即返回，不用等待ps進(jìn)程結(jié)束即可執(zhí)行下面的代碼。所以你看到的輸出，ps Done可能并不是出現(xiàn)在最后一行，而是在中間。

一般來說，使用system函數(shù)不是啟動(dòng)其他進(jìn)程的理想手段，因?yàn)樗仨氂靡粋€(gè)shell來啟動(dòng)需要的程序，即在啟動(dòng)程序之前需要先啟動(dòng)一個(gè)shell，而且對shell的環(huán)境的依賴也很大，因此使用system函數(shù)的效率不高。

二、替換進(jìn)程映像——使用exec系列函數(shù)

exec系列函數(shù)由一組相關(guān)的函數(shù)組成，它們在進(jìn)程的啟動(dòng)方式和程序參數(shù)的表達(dá)方式上各有不同。但是exec系列函數(shù)都有一個(gè)共同的工作方式，就是把當(dāng)前進(jìn)程替換為一個(gè)新進(jìn)程，也就是說你可以使用exec函數(shù)將程序的執(zhí)行從一個(gè)程序切換到另一個(gè)程序，在新的程序啟動(dòng)后，原來的程序就不再執(zhí)行了,新進(jìn)程由path或file參數(shù)指定。exec函數(shù)比system函數(shù)更有效。

exec系列函數(shù)的類型為：

#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(shù)可以分為兩大類，execl、execlp和execle的參數(shù)是可變的，以一個(gè)空指針結(jié)束，而execv、execvp和execve的第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)字符串?dāng)?shù)組，在調(diào)用新進(jìn)程時(shí)，argv作為新進(jìn)程的main函數(shù)的參數(shù)。而envp可作為新進(jìn)程的環(huán)境變量,傳遞給新的進(jìn)程，從而變量它可用的環(huán)境變量。

承接上一個(gè)例子，如果想用exec系統(tǒng)函數(shù)來啟動(dòng)ps進(jìn)程，則這6個(gè)不同的函數(shù)的調(diào)用語句為：

注：arg0為程序的名字，所以在這個(gè)例子中全為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(gè)完整的例子，源文件名為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(yùn)行結(jié)果如下：

細(xì)心的話，可以發(fā)現(xiàn)，最后的ps Done并沒有輸出，這是偶然嗎？并不是，因?yàn)槲覀儾]有再一次返回到程序new_ps_exec.exe上，因?yàn)檎{(diào)用execlp函數(shù)時(shí)，new_ps_exec.exe進(jìn)程被替換為ps進(jìn)程，當(dāng)ps進(jìn)程結(jié)束后，整個(gè)程序就結(jié)束了，并沒有回到原來的new_ps_exec.exe進(jìn)程上，原本的進(jìn)程new_ps_exec.exe不會(huì)再執(zhí)行，所以語句printf("ps Done");根本沒有機(jī)會(huì)執(zhí)行。

注意，一般情況下，exec函數(shù)是不會(huì)返回的，除非發(fā)生錯(cuò)誤返回-1，由exec啟動(dòng)的新進(jìn)程繼承了原進(jìn)程的許多特性，在原進(jìn)程中已打開的文件描述符在新進(jìn)程中仍將保持打開，但任何在原進(jìn)程中已打開的目錄流都將在新進(jìn)程中被關(guān)閉。

三、復(fù)制進(jìn)程映像——fork函數(shù)

1、fork函數(shù)的應(yīng)用

exec調(diào)用用新的進(jìn)程替換當(dāng)前執(zhí)行的進(jìn)程，而我們也可以用fork來復(fù)制一個(gè)新的進(jìn)程，新的進(jìn)程幾乎與原進(jìn)程一模一樣，執(zhí)行的代碼也完全相同，但新進(jìn)程有自己的數(shù)據(jù)空間、環(huán)境和文件描述符。

fork函數(shù)的原型為：

#include sys/type.h> 
#include unistd.h> 
 
pid_t fork(); 

注：在父進(jìn)程中，fork返回的是新的子進(jìn)程的PID，子進(jìn)程中的fork返回的是0，我們可以通過這一點(diǎn)來判斷父進(jìn)程和子進(jìn)程，如果fork調(diào)用失敗，它返回-1.

繼承上面的例子，下面我給出一個(gè)調(diào)用ps的例子，源文件名為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(jìn)程中，調(diào)用execlp切換為ps進(jìn)程 
    printf("\n"); 
    execlp("ps", "ps", "au", 0); 
    break; 
  default: 
    //這是在父進(jìn)程中，輸出相關(guān)提示信息 
    printf("Parent, ps Done\n"); 
    break; 
  } 
  exit(0); 
} 

輸出結(jié)果為：

我們可以看到，之前在第二點(diǎn)中沒有出現(xiàn)的ps Done是打印出來了，但是順序卻有點(diǎn)不對，這是因?yàn)?，父進(jìn)程先于子程序執(zhí)行，所以先輸出了Parent， ps Done，那有沒有辦法讓它在子進(jìn)程輸出完之后再輸出，當(dāng)然有，就是用wait和waitpid函數(shù)。注意，一般情況下，父進(jìn)程與子進(jìn)程的生命周期是沒有關(guān)系的，即便父進(jìn)程退出了，子進(jìn)程仍然可以正常運(yùn)行。

2、等待一個(gè)進(jìn)程

wait函數(shù)和waitpid函數(shù)的原型為：

#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用于在父進(jìn)程中調(diào)用，讓父進(jìn)程暫停執(zhí)行等待子進(jìn)程的結(jié)束，返回子進(jìn)程的PID，如果stat_loc不是空指針，狀態(tài)信息將被寫入stat_loc指向的位置。

waitpid等待進(jìn)程id為pid的子進(jìn)程的結(jié)束（pid為-1，將返回任一子進(jìn)程的信息），stat_loc參數(shù)的作用與wait函數(shù)相同，options用于改變waitpid的行為，其中有一個(gè)很重要的選項(xiàng)WNOHANG，它的作用是防止waippid調(diào)用者的執(zhí)行掛起。如果子進(jìn)程沒有結(jié)束或意外終止，它返回0，否則返回子進(jìn)程的pid。

改變后的程序保存為源文件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(jìn)程中，調(diào)用execlp切換為ps進(jìn)程 
    printf("\n"); 
    execlp("ps", "ps", "au", 0); 
    break; 
  default: 
    //這是在父進(jìn)程中，等待子進(jìn)程結(jié)束并輸出相關(guān)提示信息 
    pid = wait(stat); 
    printf("Child has finished: PID = %d\n", pid); 
    //檢查子進(jìn)程的退出狀態(tài) 
    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); 
} 

輸出為：

可以看到這次的輸出終于正常了，Parent的輸出也在子進(jìn)程的輸出之后。

總結(jié)——三種啟動(dòng)新進(jìn)程方法的比較

首先是最簡單的system函數(shù)，它需要啟動(dòng)新的shell并在新的shell是執(zhí)行子進(jìn)程，所以對環(huán)境的依賴較大，而且效率也不高。同時(shí)system函數(shù)要等待子進(jìn)程的返回才能執(zhí)行下面的語句。

exec系統(tǒng)函數(shù)是用新的進(jìn)程來替換原先的進(jìn)程，效率較高，但是它不會(huì)返回到原先的進(jìn)程，也就是說在exec函數(shù)后面的所以代碼都不會(huì)被執(zhí)行，除非exec調(diào)用失敗。然而exec啟動(dòng)的新進(jìn)程繼承了原進(jìn)程的許多特性，在原進(jìn)程中已打開的文件描述符在新進(jìn)程中仍將保持打開，但需要注意，任何在原進(jìn)程中已打開的目錄流都將在新進(jìn)程中被關(guān)閉。

fork則是用當(dāng)前的進(jìn)程來復(fù)制出一個(gè)新的進(jìn)程，新進(jìn)程與原進(jìn)程一模一樣，執(zhí)行的代碼也完全相同，但新進(jìn)程有自己的數(shù)據(jù)空間、環(huán)境變量和文件描述符，我們通常根據(jù)fork函數(shù)的返回值來確定當(dāng)前的進(jìn)程是子進(jìn)程還是父進(jìn)程，即它并不像exec那樣并不返回，而是返回一個(gè)pid_t的值用于判斷，我們還可以繼續(xù)執(zhí)行fork后面的代碼。感覺用fork與exec系列函數(shù)就能創(chuàng)建很多需的進(jìn)程。

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