1.6 程序和进程

1. 程序

程序（program）是存放在磁盘上、处于某个目录中的一个可执行文件。使用6个exec函数中的一个由内核将程序读入存储器，并使其执行。8.10节将说明这些exec函数。

2. 进程和进程ID

程序的执行实例被称为进程（process）。本书的每一页几乎都会使用这一术语。某些操作系统用任务（task）表示正被执行的程序。

UNIX系统确保每个进程都有一个唯一的数字标识符，称为进程ID（process ID）。进程ID 总是一非负整数。

实例

程序清单1-4用于打印进程ID。

如果编译该程序，并将其结果送入a.out文件，然后执行它，则有：

此程序运行时，它调用函数getpid得到其进程ID。

3. 进程控制

有三个用于进程控制的主要函数：fork、exec和waitpid。（exec函数有六种变体，但经常把它们统称为exec函数。）

实例

UNIX系统的进程控制功能可以用一个较简单的程序（见程序清单1-5）说明。该程序从标准输入读命令，然后执行这些命令。它是一个类shell程序的简化实现。在这个30行的程序中，有很多功能需要思考：

         • 用标准I/O函数fgets从标准输入一次读一行，当键入文件结束字符（通常是Ctrl+D）作为行的第1个字符时，fgets返回一个null指针，于是循环终止，进程也就终止。第18章将说明所有特殊的终端字符（文件结束、退格字符、整行擦除等等），以及如何改变它们。

         • 因为fgets返回的每一行都以换行符终止，后随一个null字节，故用标准C函数strlen 计算此字符串的长度，然后用一个null字节替换换行符。这样做是因为execlp函数要求参数以null而不是以换行符结束。

         • 调用fork创建一个新进程。新进程是调用进程的复制品，我们称调用进程为父进程，新创建的进程为子进程。fork向父进程返回新子进程的进程ID（非负），对子进程则返回0。因为fork创建一新进程，所以说它被调用一次（由父进程），但返回两次（分别在父进程及子进程中）。

         • 在子进程中，调用execlp以执行从标准输入读入的命令。这就用新的程序文件替换了子进程原先执行的程序文件。fork和跟随其后的exec两者的组合是某些操作系统所称的产生（spawn）一个新进程。在UNIX系统中，这两个部分相互分隔，构成两个函数。第8 章将对这些函数作更多说明。

         • 子进程调用execlp执行新程序文件，而父进程希望等待子进程终止，这一要求由调用11 waitpid实现，其参数指定要等待的进程（在这里，pid参数是子进程ID）。waitpid 12 函数返回子进程的终止状态（status变量）。在此简单程序中，没有使用该值。如果需

~

要，可以用此值准确地判定子进程是因何终止的。

• 该程序的最主要限制是不能向所执行的命令传递参数，例如不能指定要列表的目录名，只能对工作目录执行ls命令。为了传递参数，先要分析输入行，然后用某种约定把参数分开（很可能使用空格或制表符），然后将分隔后的各个参数传递给execlp函数。尽管如此，此程序仍可用来说明UNIX系统的进程控制功能。

如果运行此程序，则得到下列结果。注意，该程序使用了一个不同的提示符（%），以区别于shell的提示符。

^D表示一个控制字符。控制字符是特殊字符，其形成方法是：在键盘上按下控制键—通常被标记为Control或Ctrl，同时按另一个键。Control-D或^D是默认的文件结束符。在第18章中讨论终端时，会介绍更多的控制字符。

4. 线程和线程ID

通常，一个进程只有一个控制线程（thread），同一时刻只执行一组机器指令。对于某些问题，如果不同部分各使用一个控制线程，那么整个问题解决起来就容易得多。另外，多个控制线程也能充分利用多处理器系统的并行性。

在一个进程内的所有线程共享同一地址空间、文件描述符、栈以及与进程相关的属性。因为它们能访问同一存储区，所以各线程在访问共享数据时需要采取同步措施以避免不一致性。

与进程相同，线程也用ID标识。但是，线程ID只在它所属进程内起作用。一个进程中的线程ID在另一个进程中并无意义。当在一进程中对多个线程进行操纵时，我们用线程ID引用相应的线程。

控制线程的函数与控制进程的函数类似，但另有一套。在进程模型建立很久之后，线程模型才被引入到UNIX系统中，这两个模型之间存在复杂的相互作用，在第12章中，我们会对此有所说明。