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 <iostream>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
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 <iostream>
#include <vector>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <atomic>
#include <filesystem>
using std::cout; using std::endl;
using std::vector; using std::string;
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 <iostream>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
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 <iostream>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <atomic>
#include <filesystem>
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;
}
Founder of DelftStack.com. Jinku has worked in the robotics and automotive industries for over 8 years. He sharpened his coding skills when he needed to do the automatic testing, data collection from remote servers and report creation from the endurance test. He is from an electrical/electronics engineering background but has expanded his interest to embedded electronics, embedded programming and front-/back-end programming.
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