ＵＮＩＸ環境下的多進程編程

摘要：由于UNIX系統是分時多用戶系統，實質上應該說CPU按時間片分配給各個進程使用，每個進程都有自己的運行環境以使得在CPU做進程切換時不會“忘記”該進程已計算了一半的“半成品”，進程的切換都是一次中斷處理過程，UNIX系統本身是用C語言編寫的多進程程序，多進程編程是UNIX的特點，我們盡可以使用系統提供的多進程的特點，讓幾個程序并行執行，提高系統的并行處理能力，簡單而又高效地完成相應任務。本文主要介紹在UNIX系統下多進程編程的有關系統調用和編程技巧。

關鍵詞：多進程；分時；并行；系統調用；多用戶

中圖分類號：TP316文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)11-20265-03

1 多進程程序的特點

由于UNIX系統是分時多用戶系統，CPU按時間片分配給各個用戶使用，而在實質上應該說CPU按時間片分配給各個進程使用，每個進程都有自己的運行環境以使得在CPU做進程切換時不會\"忘記\"該進程已計算了一半的\"半成品\"。以DOS的概念來說，進程的切換都是一次\"DOS中斷\"處理過程，包括三個層次：(1)用戶數據的保存： 包括正文段(TEXT)，數據段(DATA，BSS)，棧段(STACK)，共享內存段(SHARED MEMORY)的保存。(2)寄存器數據的保存：包括PC(program counter，指向下一條要執行的指令的地址)， PSW(processor status word，處理機狀態字)， SP(stack pointer，棧指針)，PCBP(pointer of process control block，進程控制塊指針)， FP(frame pointer，指向棧中一個函數的local變量的首地址)，AP(augument pointer，指向棧中函數調用的實參位置)，ISP(interrupt stack pointer，中斷棧指針)，以及其他的通用寄存器等。(3)系統層次的保存：包括proc，u，虛擬存儲空間管理表格，中斷處理棧，以便于該進程再一次得到CPU時間片時能正常運行下去。

1.1 并行化

編程中涉及到的一些小的、較簡單的問題的計算是可以互不干擾的，可以同時處理，而在關鍵點則需要統一在一個地方來處理，這樣程序的運行就是并行的，至少從人的時間觀念上來說是并行的。

1.2 簡單有序

程序員為每個進程設計好相應的功能，并通過一定的通訊機制將它們有機地結合在一起，對每個進程的設計是簡單的，只在總控部分要詳細分析，仔細設計。

1.3 互不干擾

在操作系統的控制下， 各個進程相互獨立、互不干擾、互不破壞。

1.4 事務化

將程序設計成一個進程只處理完成一個事務，每個進程完成相應事務后消失。這樣編程簡單、清淅。

2 常用于多進程編程的系統調用

用于多進程編程的系統調用較多，本文只介紹相應的系統調用及功能，這些系統調用的語法、參數可通過查閱相應的手冊得到。有關信號量操作的系統調用是難點，本文以例說明。

fork()（功能：創建一個新的進程）、system()（功能：產生一個新的進程，子進程執行指定的命令）、exec()（功能：執行一個文件）、popen()（功能：初始化從/到一個進程的管道）、pclose()（功能：關閉到一個進程的管道）、wait()（功能：等待一個子進程返回并修改狀態）、waitpid()（功能：等待指定進程號的子進程的返回并修改狀態）、setpgrp()（功能：設置進程組號和會話號）、exit()（功能：終止進程）、signal()（功能：信號管理功能）、kill()（功能：向一個或一組進程發送一個信號）、alarm()（功能：設置一個進程的超時時鐘）、msgsnd()（功能:發送消息到指定的消息隊列中）、msgrcv()（功能：從消息隊列中取得指定類型的消息）、msgctl()（功能：消息控制操作）、msgget()（功能：取得一個消息隊列）、 shmat()（功能：聯接共享內存的操作）、shmdt()（功能：斷開共享內存聯接的操作）、shmget()（功能：取得共享內存段）shmctl()（功能：共享內存控制操作）、semctl()（功能：信號量控制操作）、semget()（功能：取得一組信號量）、semop()（功能：信號量操作）sdenter()（功能：共享數據段同步訪問，加鎖）、sdleave()（功能：共享數據段同步訪問，解鎖）、sdfree()（功能：將共享數據段從調用進程的數據空間中斷開聯接）、sdgetv()（功能：同步共享數據訪問）、sdwaitv()（功能：同步共享數據訪問）、sbrk()（功能:修改數據段空間分配）、getenv()（功能:取得指定環境變量值）。

包括信號量操作的所有系統調用的例子：

#include

#include

#include

#define SEMKEY 75

int semid;

unsigned int count;

/*在文件sys/sem.h中定義的sembuf結構

*struct sembuf {

*unsigned short sem_num;

*short sem_op;

*short sem_flg;

*}*/

struct sembuf psembuf，vsembuf; /*P和V操作*/

cleanup()

{

semctl(semid，2，IPC_RMID，0);

exit(0);

}

main(argc，argv)

int argc;

char *argv[];

{

int i，first，second;

short initarray[2]，outarray[2];

extern cleanup();

if (argc==1) {

for (i=0;i<20;i++)

signal(i，clearup);

semid=semget(SEMKEY，2，0777|IPC_CREAT);

initarray[0]=initarray[1]=1;

semctl(semid，2，SETALL，initarray);

semctl(semid，2，GETALL，outarray);

printf(\"sem init vals %d%d \\"，

outarray[0]，outarray[1]);

pause(); /*睡眠到被一軟件中斷信號喚醒*/

}

else if (argv[1][0]=='a') {

first=0;

second=1;

}

else {

first=1;

second=0;

}

semid=semget(SEMKEY，2，0777);

psembuf.sem_op=-1;

psembuf.sem_flg=SEM_UNDO;

vsembuf.sem_op=1;

vsembuf.sem_flg=SEM_UNDO;

for (count=0;;xcount++) {

psembuf.sem_num=first;

semop(semid，psembuf，1);

psembuf.sem_num=second;

semop(semid，psembuf，1);

printf(\"proc %d count %d\\"，getpid()，count);

vsembuf.sem_num=second;

semop(semid，vsembuf，1);

vsembuf.sem_num=first;

semop(semid，vsembuf，1);

}

}

3 多進程編程技巧

3.1 主要程序結構

(1)事件主控方式

若是應用程序屬于事務處理方式，則在主函數中設計為監控事件發生，當事件發生時，可以生成一個新的進程來處理該事務，事務處理完成后就可以讓子進程退出系統。這種處理方式一般不要消息傳遞。

(2)信息協調方式

若是應用程序需要由多個進程協調處理完成，則可以生成這些進程，通過消息在進程間的傳遞，使各個進程能相互協調，共同完成事務。這種處理方式一般是用fork()生成幾個進程后，用exec()調用其它程序文件，使得不同的程序同時在系統內運行。然后通過IPC機制傳送消息，使各個程序能協調運行。

3.2 選擇主體分叉點

(1)事件初始產生

對應于事件主控方式的程序結構，關鍵點在于以何種方式選擇事件的初始發生點，如網絡程序給出的建鏈信息，主控程序在收到該消息后就認為是一個事件開始，則可以產生一個子進程處理后面的事務：接收交易信息，事務處理，發送返回交易信息，關閉鏈接等。完成后將子進程退出系統。

(2)主程序自主產生

對應于信息協調方式的程序結構，主控程序只負責生成幾個子進程，各個子進程分別調用exec()將不同的執行文件調入內存運行，主控程序在生成所有的子進程后即可退出系統，將子進程留在內存中運行。

3.3 進程間關系處理

(1)父子進程關系

進程組處理：子進程自己組成一個新的進程組，即調用setpgrp()與原進程組脫離關系，產生一個新的進程組，進程組號與它的進程號相同。這樣，父進程退出運行后就不會影響子進程的當前運行。另外，父進程在產生子進程前最好屏蔽子進程返回信號的處理，生成子進程，在父進程退出運行后，子進程返回則其進程返回信號的處理會由系統給出缺省處理，子進程就以正常退出。

(2)兄弟進程關系

對于信息協調方式的程序來說，各兄弟進程間十分需要相互了解進程號，合理的方法是父進程生成一個共享內存的空間，每個子進程都在啟動時在共享內存中設置自己的進程號，這樣，就可以在共享內存中訪問得到所需要的進程號。

3.4 進程間通訊處理

進程間通訊處理主要考慮(1)共享內存需要的鎖機制。(2)消息隊列需要的關鍵值。(3)信號需要信號處理函數設置和再設置。(4)IPC的權限設置。(5)信號中斷只對系統調用一級有效。

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