《UNIX環境進階程式設計（第3版）》——1.6 程式和程序

本節書摘來自異步社群《unix環境進階程式設計（第3版）》一書中的第1章，第1.6節，作者：【美】w. richard stevens , stephen a.rago著，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視

1．程式

程式（program）是一個存儲在磁盤上某個目錄中的可執行檔案。核心使用exec函數（7個exec函數之一），将程式讀入記憶體，并執行程式。8.10節将說明這些exec函數。

2．程序和程序id

程式的執行執行個體被稱為程序（process）。本書的每一頁幾乎都會使用這一術語。某些作業系統用任務（task）表示正在被執行的程式。

unix系統確定每個程序都有一個唯一的數字辨別符，稱為程序id（process id）。程序id總是一個非負整數。

執行個體

圖1-6程式用于列印程序id。

圖1-6　列印程序id

如果将該程式編譯成a.out檔案，然後執行它，則有：

此程式運作時，它調用函數getpid得到其程序id。我們将會在後面看到，getpid傳回一個pid_t資料類型。我們不知道它的大小，僅知道的是标準會保證它能儲存在一個長整型中。因為我們必須在printf函數中指定需要列印的每一個變量的大小，是以我們必須把它的值強制轉換為它可能會用到的最大的資料類型（這裡是長整型）。雖然大多數程序id可以用整型表示，但用長整型可以提高可移植性。

3．程序控制

有3個用于程序控制的主要函數：fork、exec和waitpid。（exec函數有7種變體，但經常把它們統稱為exec函數。）

unix系統的程序控制功能可以用一個簡單的程式說明（見圖1-7）。該程式從标準輸入讀取指令，然後執行這些指令。它類似于shell程式的基本實施部分。

圖1-7　從标準輸入讀指令并執行

在這個30行的程式中，有很多功能需要考慮。

用标準i/o函數fgets從标準輸入一次讀取一行。當鍵入檔案結束符（通常是ctrl+d）作為行的第一個字元時，fgets傳回一個null指針，于是循環停止，程序也就終止。第18章将說明所有特殊的終端字元（檔案結束、倒退字元、整行擦除等），以及如何改變它們。

因為fgets傳回的每一行都以換行符終止，後随一個null位元組，是以用标準c函數strlen計算此字元串的長度，然後用一個null位元組替換換行符。這樣做是因為execlp函數要求的參數是以null結束的而不是以換行符結束的。

調用fork建立一個新程序。新程序是調用程序的一個副本，我們稱調用程序為父程序，新建立的程序為子程序。fork對父程序傳回新的子程序的程序id（一個非負整數），對子程序則傳回0。因為fork建立一個新程序，是以說它被調用一次（由父程序），但傳回兩次（分别在父程序中和在子程序中）。

在子程序中，調用execlp以執行從标準輸入讀入的指令。這就用新的程式檔案替換了子程序原先執行的程式檔案。fork和跟随其後的exec兩者的組合就是某些作業系統所稱的産生（spawn）一個新程序。在unix系統中，這兩部分分離成兩個獨立的函數。第8章将對這些函數進行更多說明。

子程序調用execlp執行新程式檔案，而父程序希望等待子程序終止，這是通過調用waitpid實作的，其參數指定要等待的程序（即pid參數是子程序id）。waitpid函數傳回子程序的終止狀态（status變量）。在我們這個簡單的程式中，沒有使用該值。如果需要，可以用此值準确地判定子程序是如何終止的。

該程式的最主要限制是不能向所執行的指令傳遞參數。例如不能指定要列出目錄項的目錄名，隻能對工作目錄執行ls指令。為了傳遞參數，先要分析輸入行，然後用某種約定把參數分開（可能使用空格或制表符），再将分隔後的各個參數傳遞給execlp函數。盡管如此，此程式仍可用來說明unix系統的程序控制功能。

如果運作此程式，将得到下列結果。注意，該程式使用了一個不同的提示符（%），以差別于shell的提示符。

^d表示一個控制字元。控制字元是特殊字元，其構成方法是：在鍵盤上按下控制鍵——通常被标記為control或ctrl，同時按另一個鍵。ctrl+d或^d是預設的檔案結束符。在第18章中讨論終端i/o時，會介紹更多的控制字元。

4．線程和線程id

通常，一個程序隻有一個控制線程（thread）——某一時刻執行的一組機器指令。對于某些問題，如果有多個控制線程分别作用于它的不同部分，那麼解決起來就容易得多。另外，多個控制線程也可以充分利用多處理器系統的并行能力。

一個程序内的所有線程共享同一位址空間、檔案描述符、棧以及與程序相關的屬性。因為它們能通路同一存儲區，是以各線程在通路共享資料時需要采取同步措施以避免不一緻性。

與程序相同，線程也用id辨別。但是，線程id隻在它所屬的程序内起作用。一個程序中的線程id在另一個程序中沒有意義。當在一程序中對某個特定線程進行處理時，我們可以使用該線程的id引用它。

控制線程的函數與控制程序的函數類似，但另有一套。線程模型是在程序模型建立很久之後才被引入到unix系統中的，然而這兩種模型之間存在複雜的互動，在第12章中，我們會對此進行說明。