Linux 高性能服务器编程——多进程编程

问题聚焦：

    进程是Linux操作系统环境的基础。

    本篇讨论以下几个内容，同时也是面试经常被问到的一些问题：

    1 复制进程映像的fork系统调用和替换进程映像的exec系列系统调用

    2 僵尸进程

    3 进程间通信的方式之一：管道

    4 3种System V进程通信方式：信号量，消息队列和共享内存

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fork系统调用

定义：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t fork( void );

函数说明：

• 该函数每次调用返回两次。
• 在父进程中返回的是子进程的PID，在子进程中返回的是0，由此判断当前进程是父进程还是子进程（返回值是0的为子进程）。

作用：

• fork函数复制当前进程，在内核进程表中创建一个新的进程表项。
• 子进程的许多属性被赋予了新的值，比如该进程的PPID 被设置成原进程的PID ，信号位图被清除（原进程设置的信号处理函数不再对新进程起作用）。
• 子进程的代码和父进程完全相同。
• 子进程复制父进程的大部分数据（堆数据，栈数据，静态数据）。
• 写时复制。即只有再任一进程（父进程或者子进程）对数据执行了写操作时，复制才会发生（先是缺页中断，然后操作系统给子进程分配内存并复制父进程的数据）。
• 父进程中打开的文件描述符等在子进程中默认打开，因此它们的引用变量均+1。

Exec系列系统调用（6个）

在子进程中执行其他程序，即替换当前进程映像，需要使用exec系列函数：

定义：

#include <unistd.h>
extern char** environ;

int execl( const char* path, const char* arg, ... );
int execlp( const char* file, const char* arg, ... );
int execle( cost char* path, const char* arg, ... , char* const envp[] );
int execv( const char* path, char* const argv[] );
int execvp( const char* file, char* const argv[] );
int execve( const char* path, char* const envp[] );

参数说明：

path：指定可执行文件的完整路径

file：接受文件名，该文件的具体位置则在环境变量PATH中搜寻

arg：接收可变参数

argv：接收参数数组，它们都会被传递给新程序的main函数

envp：用于设置新程序的环境变量，如果未设置，则新程序使用由全局变量environ指定的环境变量

返回：

成功时，不返回；出错，返回-1，并设置errno

如果没出错，则源程序中exec调用之后的代码都不会执行，因为此时源程序已经被exec的参数指定的程序完全替换（包括代码和数据）

exec函数不会关闭原程序打开的文件描述符，除非该文件描述符被设置了类型SOCK_CLOEXEC的属性。

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僵尸进程

       对于多进程程序而言，父进程一般需要跟踪子进程的退出状态。因此，当子进程结束运行时，内核不会立即释放该进程的进程表表项，以满足父进程后续对该子进程退出信息的查询（如果父进程还在运行）。

僵尸进程：两种情况导致子进程处于僵尸态

• 在子进程结束之后，父进程读取其退出状态之前，该子进程处于僵尸态。
• 如果父进程退出或异常终止，而子进程继续运行，此时子进程的PPID（父进程PID）被设置成1，即init进程，即init进程接管了该进程，并等待它结束。在父进程退出之后，子进程退出之前，该子进程处于僵尸态。

即：父进程没有正确处理子进程的返回信息，将导致子进程处于僵尸态，占据内核资源，造成内核资源的浪费。

下面介绍的函数在父进程中调用，以等待子进程的结束，并获得子进程的返回信息，从而避免了僵尸进程的产生，或者使得子进程的僵尸态立即结束：

#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 );

函数说明：

wait函数：阻塞该进程，直到该进程的某个子进程结束运行为止。返回子进程的PID，并将该子进程的退出状态信息存储于stat_loc参数指向的内存中。

sys/wait.h头文件中定义了几个宏，解释子进程的退出状态信息

waitpid函数：等待由pid参数指定的子进程。

       当options参数设置为WHOHANG时，waitpid调用是非阻塞的：如果pid指定的目标子进程还没结束或意外终止，则waitpid立即返回0；如果目标子进程确实正常退出了，则waipid返回该子进程的PID。调用失败返回-1，并设置errno。

       waitpid只等待由pid参数指定的子进程。如果pid取值为-1，那么和wait函数相同。

Demo: 要在事件已经发生的情况下执行非阻塞调用才能提高程序的效率

使用waitpid函数实现这一思想：

static void handle_child( int sig )
{
    pid_t pid;
    int stat;
    while ( ( pid = waitpid( -1, &stat, WHOHANG )) > 0 )
    {
        /* 对结束的子进程进行善后处理 */
    }
}

看不太懂？貌似我们错过了某些重要的东西，主要是因为中间跳过了两章，直接看我感兴趣的多进程。。

我们先了解一下，当一个进程结束时，它将给其父进程发送一个SIGCHLD信号，因此，我们可以在父进程中捕获SIGCHLD信号，并在信号处理函数中调用waitpid函数以“彻底结束”一个子进程。

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管道pipe

作用：父进程和子进程间通信的常用手段，半双工模式

方式：fork系统调用后两个管道文件描述符（fd[0]和fd[1]都保持打开），通信时，父进程和子进程必须一个关闭fd[0]，另一个关闭fd[1]。

注意：socket编程接口提供了一个创建全双工管道的系统调用：socketpair

                             

管道只能用于有关联的两个进程间的通信。

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下面介绍3种System V IPC进程间通信方式

信号量

背景：当多个进程同时访问系统上的某个资源的时候，就需要考虑同步问题，以确保任一时刻只有一个进程可以拥有对资源的独占式访问。

临界区：对资源访问的关键代码，可能引发竞态条件

信号量：确保临界区代码的独占式访问。

• 一种特殊的变量
• 只能取自然数值
• 只支持两种操作：等待（P，要进入临界区）和信号（V，要退出临界区）

含义：假设有信号量SV，对它的P、V操作含义如下

• P(SV)，如果SV的值大于0，就将它减一，然后允许访问临界区；如果SV的值为0，则挂起进程的执行。
• V(SV)，如果有其他进程因为等待SV而挂起，则唤醒之；如果没有，则将SV加一

       当信号量的值为1时，就是退化成互斥锁。如下图所示：

                                  

       进程A和进程B在执行关键代码段（临界区）的前后，都会对SV进行PV操作，以确保临界区的独占式访问。

Linux信号量的API，三个系统调用：semget、semop和semctl，用于操作信号量集 。所以看起来会比简单的互斥锁要复杂一点。

semget系统调用

作用：创建一个新的信号量集，或者获取一个已经存在的信号量集

定义：

#include <sys/sem.h>
int semget ( key_t key, int num_sems, int sem_flags );

参数说明：

key：一个键值，标识一个全局唯一的信号量集，要通过信号量通信的进程需要使用相同的键值来创建/获取该信号量。

num_sums：指定要创建/获取的信号量集中信号量的数据。如果是创建信号量，则该值必须被指定；如果是获取已经存在的信号量，则可以把它设置为0。

sem_flags：指定一组标志。它低端的9个比特是该信号量的权限，其格式和含义都与系统调用open的mode参数相同。

返回：成功时，返回一个正整数值，它是信号量集的标识符；semget失败时返回-1，并设置errno。

semop系统调用

作用：改变信号量的值，即执行P、V操作。

定义：

#include <sys/sem.h>
int semop ( int sem_id, struct sembuf* sem_ops, size_t num_sem_ops );

参数说明：

sem_id：由semget调用返回的信号量集标识符，用以指定被操作的目标信号量集。

sem_ops：指向一个sembuf结构体类型的数组。

struct sembuf：

struct sembuf
{
    unsigned short int sem_num;    // 信号量集中信号量的编号
    short int sem_op;                        // 指定操作类型，可选正整数，0，负整数
    short int sem_flg;                        // 影响操作行为，可选值IPC_NOWAIT（无论信号量操作是否成功，都立即返回），SEM_UNDO（当进程退出时，取消正在进行的semop操作）
};

num_sem_ops：指定要执行的操作个数，即sem_ops数组中元素的个数。semop对数组中的每个成员按数组顺序依次执行，该过程是原子操作。

semctl系统调用

作用：允许调用者对信号量进行直接控制

定义：

#include <sys/sem.h>
int semctl ( int sem_id, int sem_num, int command, ... );

参数说明：

sem_id：由semget调用返回的信号量标识符。

sem_num：指定被操作的信号量在信号量集中的编号。

command：指定要执行的命令。

第4个参数由用户自定义，在sys/sem.h头文件中给出了它的推荐格式。

union semun
{
    int val;                                        //用于SETVAL命令
    struct semid_ds *buf;              //用于IPC_STAT和IPC_SET命令
    unsigned short *array;            //用于GETALL和SETALL命令
    struct seminfo *__buf;             //用于IPC_INFO命令
};

semctl支持的所有命令如图：

      sem_ctl成功时的返回值取决于command参数，失败时返回-1并设置errno。

特殊键值IPC_PRIVATE

semget的key参数的特殊值，其值为0。

作用：

       这样无论该信号量是否存在，semget都将创建一个新的信号量。使用该键值创建的信号量并非像它的名字那样是进程私有的，其他进程，尤其是子进程，也有方法来访问这个信号量。

代码：使用IPC_PRIVATE创建信号量

#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

union semun
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short int *array;
    struct seminfo *__buf;
};

//op为-1时执行P操作， op为1时执行V操作
void pv(int sem_id, int op)
{
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = op;
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

    semop(sem_id, &sem_b, 1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);

    union semun sem_un;
    sem_un.val = 1;

    semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_un);

    pid_t id = fork();

    if (id < 0) {
        fprintf(stderr, "fork failed.\n");
        return 1;
    }
    else if (id == 0) {
        printf("child try to get binary sem\n");

        pv(sem_id, -1);
        printf("child get the sem and would release it after 5 seconds\n");
        sleep(5);
        pv(sem_id, 1);

        exit(0);
    }
    else{
        printf("parent try to get binary sem\n");
        pv(sem_id, -1);
        printf("parent get the sem and would release it after 3 seconds\n");
        sleep(3);
        pv(sem_id, 1);
    }

    waitpid(id, NULL, 0);

    //删除信号量
    semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_un);

    return 0;
}

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共享内存

特点：

• 不涉及进程之间的任何数据传输。
• 必须用其他辅助手段来同步进程对共享内存的访问，否则会产生竞态条件。
• 因此，共享内存通常和其他进程间通信方式一起使用

Linux共享内存的API都定义在sys/shm.h，包括4个系统调用：shmget、shmat、shmdt、shmctl。

shmget系统调用

作用：创建一段新的共享内存，或者获取一段已经存在的共享内存。

定义：

#include <sys/shm.h>
int shmget ( key_t key, size_t size, int shmflg );

参数说明：

key：标识一段全局唯一的共享内存。

size：指定共享内存的大小，单位是字节。

shmflg：和semget系统调用的sem_flags参数相同，支持两个额外的标志：

• SHM_HUGETLB：类似于mmap的MAP_HUGETLB标志，系统将使用“大页面”来为共享内存分配空间。
• SHM_NORESERVE：类似于mmap的MAP_NORESERVE标志，不为共享内存保留交换分区（swap空间）。这样，当物理内存不足的时候，对该共享内存执行写的操作将触发SIGSEGV信号。

       如果shmget 用于创建共享内存，则这段共享内存的所有直接都被初始化为0。

shmat和shmdt系统调用

使用共享内存需要注意的两个任务：

• 共享内存在创建之后，不能立即使用，需要先将它关联到进程的地址空间中。——shmat
• 使用完共享内存后，我们也需要把它从进程地址空间中分离。——shmdt

定义：

#include <sys/shm.h>
void shmat ( int shm_id, const void * shm_addr, int shmflg );
int shmdt ( const void* shm_addr );

参数说明：

shm_id：共享内存标识符。

shm_addr：指定要将共享内存关联到进程的哪块地址空间，最终的效果还受到shmflg参数的可选标志SHM_RND的影响：

• 如果shm_addr为NULL，则被关联的地址由操作系统选择。
• 如果shm_addr非空，并且SHM_RND标志未被设置，则共享内存被关联到addr指定的地址处。
• 如果shm_addr非空，并且SHM_RND标志被设置，则被关联的地址是[ shm_addr -(shm_addr % SHMLBA) ]。SHMLBA的含义是“段低端边界地址倍数”，它必须是内存页面大小的整数倍。现在的Linux 内核中，它等于一个内存页大小。SHM_RND 的含义是圆整，即将共享内存被关联的地址向下圆整到离shm_addr最近的SHMLBA 的整数倍地址处。

除了SHM_RND 标志外，shmflg参数还支持如下标志：

• SHM_RDONLY：进程仅能读取共享内存中的内容。若没有指定该标志，则进程可同时共享内存进行读写操作（当然，这需要在创建共享内存的时候指定其读写权限）。
• SHM_REMAP：如果地址shm_add已经被关联到一段共享内存上，则重新关联。
• SHM_EXEC：它指定对共享内存段的执行权限。对共享内存而言，执行权限实际上和读权限是一样的。

shmctl系统调用

作用：控制共享内存的某些属性

#include <sys/shm.h>
int shmctl ( int shm_id , int command, struct shmid_ds* buf );

参数说明：

shm_id：共享内存标识符

command：要执行的命令。支持的命令如下图所示：

                

    

无关进程之间共享内存的方式

mmap可以实现无关进程之间的内存共享，需要文件支持。

shm_open无需文件支持。

定义：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fnctl.h>
int shm_open ( const char* name, int oflag, mode_t mode );

参数说明：

name：指定要创建/打开的共享内存对象.

oflag：指定创建方式：

• O_RDONLY：以只读方式打开共享内存对象。
• O_RDWR：以可读、可写方式打开共享内存对象。
• O_CREAT：如果共享内存不存在，则创建之。此时mode参数的最低9位将指定该共享内存对象的访问权限。共享内存对象被创建的时候，其初始长度为0.
• O_EXCL：和O_CREAT一起使用，如果由name指定的共享内存对象已经存在，则shm_open调用返回错误，否则就创建一个新的共享内存对象。
• O_TRUNC：如果共享内存已经存在，则把它截断，使其长度为0.

       shm_open调用成功时返回一个文件描述符。该文件描述符可用于后续的mmap调用，从而将共享内存关联到调用进程。shm_open失败时返回-1，并设置errno。

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fnctl.h>
int shm_unlink ( const char *name );

作用：将name参数指定的共享内存对象标记为等待删除。当所有使用该共享内存对象的进程都使用ummap将它从进程中分离之后，系统将销毁这个共享内存对象所占据的资源。

注意：如果代码中使用了上述POSIX共享内存的函数，则编译的时候需要指定链接选项-lrt。

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消息队列

作用：两个进程之间传递二进制块数据的一种方式，简单有效。

特点：每个数据块都有一个特定的类型，接收方可以根据类型来有选择地接收数据，不一定像管道和命名管道那样必须先进先出的方式接收数据。

相关的API定义在sys/msg.h中，包括四个系统调用：msgget、msgsnd、msgrcv、msgctl

msgget系统调用

作用：创建一个消息队列，或者获取一个已有的消息队列

定义：

#include <sys/msg.h>
int msgget ( key_t key, int msgflg );

参数说明：

key：标识一个全局唯一的消息队列。

msgflg：和semget系统调用的sem_flags参数相同

与内核数据结构msqid_ds相关联。

msgsnd系统调用：

作用：把一条消息添加到消息队列中。

定义：

#include <sys/msg.h>;
int msgsnd ( int msgid, const void* msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg );

• msgid：由msgget函数返回的消息队列标识符。
• msg_ptr：指向一个准备发送的消息，消息必须被定义为如下的类型：

struct msgbuf
{
	long mtype; // 消息类型
	char mtext[512]; // 消息数据
};

• msgflg：控制msgsnd的行为。它通常仅支持IPC_NOWAIT标志，即以非阻塞的方式发送消息。默认情况下，发送消息时如果消息队列满了，则msgsnd函数将阻塞。若IPC_NOWAIT标志被指定，则msgsnd将立即返回并设置errno 为EAGAIN。

处于阻塞状态的msgsnd调用可能被如下两种异常情况所中断：

• 消息队列被移除。此时msgsnd调用将立即返回并设置errno为EIDRM。
• 程序接收到信号。此时msgsnd调用将立即返回并设置errno为EINTR。

msgrcv系统调用

作用：从消息队列中获取消息。

定义：

#include <sys/msg.h>
int msgrcv ( int msqid, void* msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg );

• msqid：由msgget调用返回的消息队列标识符。
• msg_ptr：用于存储接收的消息。
• msg_sz：指的是消息数据部分的长度。
• msgtype：指定接收何种类型的消息，可以如下几种方式：（1） msgtype 等于0 。读取消息队列中的第一个消息。 （2）msgtype大于0 。读取消息队列中第一个类型为msgtype的消息。 （3）msgtype 小于0 。读取消息队列中第一个类型值比msgtype的绝对值小的消息。
• msgflg：控制msgrcv 函数的行为。它可以是如下一些标志的按位或：（1）IPC_NOWAIT，如果消息队列中没有任何消息，则msgrcv调用立即返回并设置errno为ENOMSG。（2）MSG_EXCEPT，如果msgtype大于0，则接收消息队列中第一个非msgtype 类型的消息。 （3）MSG_NOERROR，如果消息数据部分的长度超过了msg_sz，就将它截断。

处于阻塞状态的msgrcv调用还可能被如下两种异常情况所中断：

• 消息队列被移除。此时msgsnd调用将立即返回并设置errno为EIDRM。
• 程序接收到信号。此时msgsnd调用将立即返回并设置errno为EINTR。

msgctl系统调用

作用：控制消息队列的某些属性。

定义：

#include <sys/msg.h>
int msgctl ( int msqid, int command, struct msqid_ds* buf );

command 参数指定执行的命令：

msgctl成功时返回值取决于command参数，失败时就返回-1，并设置errno。

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小结：

• 三种System V IPC进程间通信方式都使用一个全局唯一的键值来描述一个共享资源。使用ipcs命令可以查看当前系统的共享资源实例。
• 要尽可能缩短僵尸进程的存在时间
• 简单了解一下fork和exec系系统调用

参考资料：

《Linux高性能服务器编程》

from:http://blog.csdn.net/zs634134578/article/details/20475741