UNIX高级环境编程（10）进程控制（Process Control）- 竞态条件，exec函数，解释器文件和system函数

本篇主要介绍一下几个内容：

竞态条件（race condition）
exec系函数
解释器文件

1 竞态条件（Race Condition）

竞态条件：当多个进程共同操作一个数据，并且结果依赖于各个进程的操作顺序时，就会发生竞态条件。

例如fork函数执行后，如果结果依赖于父子进程的执行顺序，则会发生竞态条件。

说到fork之后的父子进程的执行顺序，我们可以通过下面的方式指定执行顺序：

如果父进程等待子进程结束，则需要调用wait函数。

如果子进程等待父进程结束，则需要像下面这样轮询：

while (getppid() != 1)

sleep(1);

轮询的方式的缺点是非常浪费CPU时间。

如果希望避免竞态条件和轮询，则需要用到进程之间的信号机制，或者其他的IPC方式。

竞态条件的例子：

Example：

#include "apue.h"

static void charatatime(char *);

int

main(void)

{

pid_t pid;

if ((pid = fork()) < 0) {

err_sys("fork error");

} else if (pid == 0) {

charatatime("output from child\n");

} else {

charatatime("output from parent\n");

}

exit(0);

}

staticvoid

charatatime(char *str)

{

char *ptr;

int c;

setbuf(stdout, NULL); /* set unbuffered */

for (ptr = str; (c = *ptr++) != 0; )

putc(c, stdout);

}

输出结果：

我们可以发现，输出结果并不一定，依赖于父子进程的执行顺序，这里就发生了竞态条件。

在例子中，我们设置了stdout得buffer为NULL，为了让每一个字符的输出都调用write，这样可以尽可能多地发生进程间切换。

在下面的例子中，我们通过在父子进程间进行通信，来保证父进程先运行。

Example：

#include "apue.h"

static void charatatime(char *);

int

main(void)

{

pid_t pid;

TELL_WAIT();

if ((pid = fork()) < 0) {

err_sys("fork error");

} else if (pid == 0) {

WAIT_PARENT(); /* parent goes first */

charatatime("output from child\n");

} else {

charatatime("output from parent\n");

TELL_CHILD(pid);

}

exit(0);

}

static void

charatatime(char *str)

{

char *ptr;

int c;

setbuf(stdout, NULL); /* set unbuffered */

for (ptr = str; (c = *ptr++) != 0; )

putc(c, stdout);

}

执行结果：

从结果可以看到，输出是符合预期的。

所以进程间通信是解决竞态条件的方式之一。

2 exec函数

fork函数的一个作用就是，创建出一个子进程，让子进程执行exec函数，去执行另一个程序。

exec函数的作用就是用一个新的程序代替现在的进程，从新程序的main函数开始执行。

替换后，进程号不改变，被替换的内容包括文本段，数据段，堆和栈。

exec函数是一组函数，函数声明如下：

函数细节：

前四个函数的参数pathname为文件路径，后两个函数的参数filename为文件名，最后一个为文件描述符。如果filename中又’/‘号，则认为是一个文件路径，否则函数以环境变量为前缀对指定的文件进行搜索；
如果execlp和execvp函数发现目标文件不是可执行文件，则会尝试把它当做一个脚本调用/bin/sh去执行；
fexecve函数依赖调用者去保证文件的可执行，并且防止恶意用户在时间差将目标可执行文件替换。
函数名中的l代表list，v代表vector。l系函数的参数为命令行中传入的参数（在参数列表中分别由arg0,arg1,arg2...表示），v系函数则需要将参数的指针放入一个数组中，将数组的地址传入函数。
环境变量列表的传递方式。函数名以e结尾的函数允许修改环境变量列表，函数的最后一个参数是一个指向一个指针数组的指针，数组中的指针指向环境变量的各个字符串。

这7个函数非常难记，了解函数名中得特别字母有助于记忆：

字母p代表函数获取一个filenam参数和环境变量来查找可执行文件；
字母l代表函数获取一个参数列表
字母v代表函数获取一个argv[]作为参数
字母e代表函数获取一个envp[]作为参数，取代环境变量列表，用户可以修改环境变量然后传递给子进程

exec函数小结：

前面提到过，执行了exec函数后，进程的进程号不变。除了进程号，还有继承而来的信息包括：

exec函数替换程序之后，对于已经打开的文件描述符的处理，取决于flag close-on-exec。如果flag close-on-exec被打开，则exec替换程序后，打开的文件描述符会被关闭，负责这些文件描述会保持打开状态，这种保持打开状态的行为也是默认行为。

real user ID和real group ID在exec函数后保持不变，但是effective user ID和effective group ID可以通过设置set-user-ID和set-group-ID标志位而决定是否改变。

一般实现时，7个exec函数，只有一个exec函数会被实现为系统调用。

7个exec函数之间的关系如图所示：

Example:

#include "apue.h"

#include <sys/wait.h>

char *env_init[] = { "USER=unknown", "PATH=/tmp", NULL };

int

main(void)

{

pid_t pid;

if ((pid = fork()) < 0) {

err_sys("fork error");

} elseif (pid == 0) { /* specify pathname, specify environment */

if (execle(“/*可执行文件所在路径*//echoall", "echoall", "myarg1",

"MY ARG2", (char *)0, env_init) < 0)

err_sys("execle error");

}

if (waitpid(pid, NULL, 0) < 0)

err_sys("wait error");

if ((pid = fork()) < 0) {

err_sys("fork error");

} elseif (pid == 0) { /* specify filename, inherit environment */

if (execlp("echoall", "echoall", "only 1 arg", (char *)0) < 0)

err_sys("execlp error");

}

exit(0);

}

3 解释器文件（Interpreter Files）

所有现代UNIX系统都支持解释器文件（interpreter files）。

解释器文件开始一行的格式为：

#!pathname [optional-argument]

例如，shell脚本的开始一行为：

#!/bin/sh

要区分清楚解释器文件和解释器：

解释器文件：第一行以#!pathname XXX开始的文本文件
解释器：解释器文件第一行#!pathname xxx中指定的xxx可执行文件

需要注意的一点是：解释器文件的第一行的长度是有限制的，长度计算包含了空格，’#!’和换行符。

Example:

#include "apue.h"

#include <sys/wait.h>

int

main(void)

{

pid_t pid;

if ((pid = fork()) < 0) {

err_sys("fork error");

} else if (pid == 0) { /* child */

if (execl("/home/sar/bin/testinterp",

“testinterp", "myarg1", "MY ARG2", (char *)0) < 0)

err_sys("execl error");

}

if (waitpid(pid, NULL, 0) < 0) /* parent */

err_sys("waitpid error");

exit(0);

}

输出结果：

输出结果说明：

程序的作用是输出命令行中的每一个参数
需要注意的是，第一个参数argv[0]是解释器的据对路径
第二个参数是解释器文件第一行的可选参数
第三个参数是替换程序文件的路径
需要注意的是，参数’’testinterp”并没有被输出，因为内核认为第一个参数pathname包含更多的内容

4 system函数（system Function）

在程序执行一个命令字符串是很方便的。

例如：

system(“date > file");

将日期重定向至file文件中。

函数声明：

#include <stdlib.h>

int system(const char* cmdstring);

函数细节：

如果cmdstring是一个Null指针，则在system函数可以正常调用时返回非零值。这个特性可以用来检查系统是否支持system函数。
因为system函数是基于fork, exec和waitpid实现，所以system有三种返回值

如果fork失败或者waitpid返回错误并且不是EINTR，system函数返回-1；
如果exec失败，表明shell不能被执行，返回值和shell退出返回值（127）相同；
如果fork，exec和waitpid都执行成功，并且system返回值是shell的终止状态值，该值的形式由waitpid函数指定。

system函数的一种实现，没有处理信号的版本。

code

#include <sys/wait.h>

#include <errno.h>

#include <unistd.h>

int

system(constchar *cmdstring) /* version without signal handling */

{

pid_t pid;

int status;

if (cmdstring == NULL)

return(1); /* always a command processor with UNIX */

if ((pid = fork()) < 0) {

status = -1; /* probably out of processes */

} else if (pid == 0) { /* child */

execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *)0);

_exit(127); /* execl error */

} else { /* parent */

while (waitpid(pid, &status, 0) < 0) {

if (errno != EINTR) {

status = -1; /* error other than EINTR from waitpid() */

break;

}

return(status);

}

代码细节：

shell中的-c参数说明将后面的一个参数作为命令行输入，而不是从标准输入或者指定文件读取；
我们调用_exit而不是exit，防止子进程退出时，会将从父进程拷贝到的buffer打印。

使用system函数的好处是system函数为我们处理了所以的异常，并且提供了所有必须的信号处理。

Example

#include "apue.h"

#include <sys/wait.h>

int

main(void)

{

int status;

if ((status = system("date")) < 0)

err_sys("system() error");

pr_exit(status);

if ((status = system("nosuchcommand")) < 0)

err_sys("system() error");

pr_exit(status);

if ((status = system("who; exit 44")) < 0)

err_sys("system() error");

pr_exit(status);

exit(0);

}

运行结果：

参考资料：

《Advanced Programming in the UNIX Envinronment 3rd》