在 C++ 中用 Fork 建立程序
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使用
fork()在 C++ 程式中建立兩個程序 -
使用
fork()和execve在 C++ 中建立多個程序 -
使用
fork()和execve在 C++ 中建立多個程序的自動子程序清理功能
本文將為大家講解幾種在 C++ 中使用 fork() 系統呼叫建立程序的方法。
使用 fork() 在 C++ 程式中建立兩個程序
fork 函式是大多數基於 Unix 的作業系統中可用的 POSIX 相容系統呼叫。該函式建立了一個新的程序，它是原始呼叫程式的副本。後一個程序稱為 parent，新建立的程序-child。這兩個程序可以看作是在不同記憶體空間執行的兩個執行緒。需要注意的是，目前 Linux 的實現內部沒有執行緒的概念，所以執行緒除了共享記憶體區域外，其他結構與程序類似。fork 函式可以實現同一程式內的併發執行，也可以從檔案系統中執行一個新的可執行檔案（在後面的例子中演示）。
在下面的例子中，我們利用 fork 來演示一個程式內的多程序。fork 不接受引數，並在兩個程序中返回。返回值是父程序中子程序的 PID，子程序中返回 0。如果呼叫失敗，在父程序中返回 -1。因此，我們可以根據返回值的評估來構造 if 語句，每個 if 塊都會被相應的程序執行，從而實現併發執行。
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
int main() {
pid_t c_pid = fork();
if (c_pid == -1) {
perror("fork");
exit(EXIT_FAILURE);
} else if (c_pid > 0) {
cout << "printed from parent process " << getpid() << endl;
wait(nullptr);
} else {
cout << "printed from child process " << getpid() << endl;
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return EXIT_SUCCESS;
}
輸出：
printed from parent process 27295
printed from child process 27297
使用 fork() 和 execve 在 C++ 中建立多個程序
fork 函式呼叫更實際的用途是建立多個程序，並在這些程序中執行不同的程式。需要注意的是，在這個例子中，我們需要兩個原始碼檔案：一個是父程序，另一個是子程序。子程序程式碼是簡單的無限迴圈，加到單整數，可以通過傳送 SIGTERM 訊號來停止。
父程式宣告一個需要被分叉的子程序執行的檔名，然後呼叫 spawnChild 函式 6 次。spawnChild 函式封裝了 fork/execve 的呼叫，並返回新建立的程序 ID。注意，execve 需要一個程式名和引數列表作為引數，才能在子程序中啟動新的程式程式碼。一旦 6 個子程序建立完畢，父程序繼續在 while 迴圈中呼叫 wait 函式。wait 停止父程序並等待任何一個子程序終止。
注意，需要終止每個子程序，父程序才能正常退出。如果中斷父程序，子程序將繼續執行，其父程序成為一個系統程序。
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <atomic>
#include <filesystem>
#include <iostream>
#include <vector>
using std::cout;
using std::endl;
using std::string;
using std::vector;
using std::filesystem::exists;
constexpr int FORK_NUM = 6;
pid_t spawnChild(const char* program, char** arg_list) {
pid_t ch_pid = fork();
if (ch_pid == -1) {
perror("fork");
exit(EXIT_FAILURE);
} else if (ch_pid > 0) {
cout << "spawn child with pid - " << ch_pid << endl;
return ch_pid;
} else {
execve(program, arg_list, nullptr);
perror("execve");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
int main() {
string program_name("child");
char* arg_list[] = {program_name.data(), nullptr};
vector<int> children;
children.reserve(FORK_NUM);
if (!exists(program_name)) {
cout << "Program file 'child' does not exist in current directory!\n";
exit(EXIT_FAILURE);
}
for (int i = 0; i < FORK_NUM; ++i)
children[i] = spawnChild(program_name.c_str(), arg_list);
cout << endl;
pid_t child_pid;
while ((child_pid = wait(nullptr)) > 0)
cout << "child " << child_pid << " terminated" << endl;
return EXIT_SUCCESS;
}
子程序的原始碼（不同的檔案）：
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
volatile sig_atomic_t shutdown_flag = 1;
void GracefulExit(int signal_number) { shutdown_flag = 0; }
int main() {
// Register SIGTERM handler
signal(SIGTERM, GracefulExit);
unsigned int tmp = 0;
while (shutdown_flag) {
tmp += 1;
usleep(100);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
使用 fork() 和 execve 在 C++ 中建立多個程序的自動子程序清理功能
如果父程序在所有子程序退出之前就被終止，那麼前面的示例程式碼就會出現笨拙的行為。在這種情況下，我們在父程序中新增訊號處理函式，一旦收到 SIGQUIT 訊號，就會自動終止所有子程序。使用 kill -SIGQUIT pid_num_of_parent 命令傳送訊號。
注意，訊號處理程式中需要訪問的一些全域性變數被宣告為 std::atomic 型別，這是對程式正確性的嚴格要求。
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <atomic>
#include <filesystem>
#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
using std::string;
using std::filesystem::exists;
constexpr std::atomic<int> FORK_NUM = 6;
constexpr std::atomic<int> handler_exit_code = 103;
std::atomic<int> child_pid;
std::atomic<int> *children;
void sigquitHandler(int signal_number) {
for (int i = 0; i < FORK_NUM; ++i) {
kill(children[i], SIGTERM);
}
while ((child_pid = wait(nullptr)) > 0)
;
_exit(handler_exit_code);
}
pid_t spawnChild(const char *program, char **arg_list) {
pid_t ch_pid = fork();
if (ch_pid == -1) {
perror("fork");
exit(EXIT_FAILURE);
} else if (ch_pid > 0) {
cout << "spawn child with pid - " << ch_pid << endl;
return ch_pid;
} else {
execve(program, arg_list, nullptr);
perror("execve");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
int main() {
string program_name("child");
char *arg_list[] = {program_name.data(), nullptr};
if (!exists(program_name)) {
cout << "Program file 'child' does not exist in current directory!\n";
exit(EXIT_FAILURE);
}
children = reinterpret_cast<std::atomic<int> *>(new int[FORK_NUM]);
signal(SIGQUIT, sigquitHandler);
for (int i = 0; i < FORK_NUM; ++i) {
children[i] = spawnChild(program_name.c_str(), arg_list);
}
cout << endl;
while ((child_pid = wait(nullptr)) > 0)
cout << "child " << child_pid << " terminated" << endl;
return EXIT_SUCCESS;
}
