服务器编程入门（8）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
fork系统调用
定义：
#include
#include
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
- 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
- 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
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。
僵尸进程
僵尸进程：两种情况导致子进程导致僵尸态
- 如果父进程需要查询子进程的退出状态，那么子进程结束后，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。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，就是为了立即结束子进程的僵尸态。
#include
#include
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
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。
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。
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）
- 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
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。
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
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）
};
关于sem_op和sem_flag字段如何影响semop系统调用的行为，当遇到时，请自行百度。
num_sem_ops：指定要执行的操作个数
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
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。
特殊键值IPC_PRIVATE
semget的key参数的特殊值，其值为0。
作用：
无论该信号量是否已经粗壮奶，semget都将创建一个新的信号量。
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。
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
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（使用大页面来为共享内存分配空间）和SHM_NORESERVE（不为共享内存保留交换分区）。
关联的内核数据结构：struct shmid_ds。
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
#include
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
shmflg：影响操作的最后效果，可选标志位SHM_RND。
关于shmflg支持的标志位，请用到时自行百度。
shmctl系统调用
作用：控制共享内存的某些属性
#include
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
#include
#include
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
#include
#include
#include
int shm_unlink ( const char *name );
作用：将name参数指定的共享内存镀锡i昂标记为等待删除，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。
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
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 ;
int msgsnd ( int msgid, const void* msg_ptr, size_t msg_sz, int smgflg );
msgrcv系统调用
作用：从消息队列中获取消息
定义：
#include
int msgrcv ( int msqid, void* msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg );
msgctl系统调用
作用：控制消息队列的某些属性
定义：
#include
int msgctl ( int msqid, int command, struct msqid_ds* buf );
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》