《Operating Systems: Three Easy P

2020-04-01 本文已影响0人美航球馆

背景

这篇文章是操作系统的第二篇笔记，我们将开始探索 process 具体的 API。因为涉及到具体的 API ，主要的精力应该放在这本书第二篇的 Homework，辅之以相关的文档，所以在简单介绍几个重要的 API 之后，我会在最后添上我的 Homework code。

接口列表

我们先依次来看下三个比较重要的 API Family

fork()
wait()
exec()

The fork() System Call

fork() 这个 API 是用来创建一个新的 process，这个新的 process 非常特殊，它特殊在几乎是调用这个接口的 process 的复制者，所以我们也称这个创建出来的 process 为 child process. 这个函数的文档

/// 所依赖的库
#include <unistd.h>
/// - Parameters:
///    -无
/// - Return Value:
///    - On success, the PID(process ID) of the child process is returned in the parent, 
///    - and 0 is returned in the child.
///    - On failure, -1 is returned in the parent, 
///    - no child process is created, and errno is set appropriately
pid_t fork(void);

我在贴一下书上的例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main(int argc, char *argv[])
{
    printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
    int rc = fork();
    if (rc < 0) {
        // fork failed; exit
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) {
        // child (new process)
        printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
    } else {
        // parent goes down this path (original process)
        printf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n", rc, (int) getpid());
    }
    return 0;
}

在早期的 unix 系统中，创建 process 的函数就这一个，就没在提供其它接口了。这就很令人好奇了，为什么不提供一些类似 createProcess 这样的接口，可以让使用者创建一个全新的 process，而是只能通过复制 process，来创建一个新的 process。

在网上简单搜索了下，大致可以理解为这样的设计可以使得接口变得非常简单。而在 Windows 中，是有这样的函数的 CreateProcess，可以看到所需要的参数非常多，大多数的参数还是结构体，所以还是挺复杂的。这么一对比，fork() 这个接口确实简洁的多（也符合 unix 的设计哲学)，可以仔细看看这个高票回答。

The Wait() System Call

wait() 这个函数就如同它的名字所揭示的那样，是用来等待 child 的 process 结束的。当 parent process 调用这个函数的时候，它不会继续运行下去而处于 suspend 的状态，直到它的 child process 结束运行时，parent process 才会继续运行下去。这里有一点要注意的是，只有 parent process wait child process 这个函数才会有效，child process wait parent 是无效的，这章 Homework的有道题也说明了这点。

我们同样来看下这个函数的文档和书上的代码示例。

/// 依赖的库
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
/// - Parameters:
///    - a pointer to int which is child process's status
/// - Return Value:
///    - on success, returns the process ID of the terminated child;
///    - on error, -1 is returned 
pid_t wait(int *status);

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

int
main(int argc, char *argv[])
{
    printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
    int rc = fork();
    if (rc < 0) {
        // fork failed; exit
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) {
        // child (new process)
        printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
        sleep(1);
    } else {
        // parent goes down this path (original process)
        int wc = wait(NULL);
        printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
           rc, wc, (int) getpid());
    }
    return 0;
}

相似功能的函数还有很多，waitpid，waitid 等等，这些函数没有本质的区别，只是参数略有不同，有兴趣的可以看上面那个文档，也详细的介绍了这些函数，稍后在作业里我们也会用到其中一个函数。

The exec() family System Call

exec() System Call 包含一系列的函数:

execl
execlp
execle
.... 完整的文档
这个函数是用来在当前的 process 调用其它 program。这里调用其它 program 并不会创建一个新的 process，而是将当前的 process image 保存起来，并替换成新的 process image。

it loads code (and static data) from that executable and overwrites its current code segment (and current static data) with it; the heap and stack and other parts of the memory space of the program are re-initialized. Then the OS simply runs that program, passing in any arguments as the argv of that process. Thus, it does not create a new process; rather, it transforms the currently running program into a different running program

书上的例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <sys/wait.h>

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int rc = fork();
    if (rc < 0) {
        // fork failed; exit
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) {
        // child: redirect standard output to a file
        close(STDOUT_FILENO); 
        open("./p4.output", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, S_IRWXU);

        // now exec "wc"...
        char *myargs[3];
        myargs[0] = strdup("wc");   // program: "wc" (word count)
        myargs[1] = strdup("p4.c"); // argument: file to count (change to your file path)
        myargs[2] = NULL;           // marks end of array
        execvp(myargs[0], myargs);  // runs word count
    } else {
        // parent goes down this path (original process)
        int wc = wait(NULL);
        assert(wc >= 0);
    }
    return 0;
}

Homework

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