本章將討論UNIX系統中的進程創建。UNIX系統採用了一種非常有趣的創建新進程的方式，即通過一對系統調用：fork()和exec()。進程還可以通過第三個系統調用wait()，來等待其創建的子進程執行完成。本章將詳細介紹這些接口，通過一些簡單的例子來激發興趣。
關鍵問題：如何創建並控制進程
作業系統應該提供怎樣的進程來創建及控制接口？如何設計這些接口才能既方便又實用？
5.1 fork()系統調用
系統調用fork()用於創建新進程[C63]。但要小心，這可能是你使用過的最奇怪的接口[1]。具體來說，你可以運行一個程序，代碼如圖5.1所示。仔細看這段代碼，建議親自鍵入並運行！
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4
5 int
6 main(int argc, char *argv[])
7 {
8 printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
9 int rc = fork();
10 if (rc < 0) { // fork failed; exit
11 fprintf(stderr, "fork failed\n");
12 exit(1);
13 } else if (rc == 0) { // child (new process)
14 printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
15 } else { // parent goes down this path (main)
16 printf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n",
17 rc, (int) getpid());
18 }
19 return 0;
20 }
圖5.1 調用fork()（p1.c）
運行這段程序（p1.c），將看到如下輸出：
prompt> ./p1
hello world (pid:29146)
hello, I am parent of 29147 (pid:29146)
hello, I am child (pid:29147)
prompt>
讓我們更詳細地理解一下p1.c到底發生了什麼。當它剛開始運行時，進程輸出一條hello world信息，以及自己的進程描述符（process identifier，PID）。該進程的PID是29146。在UNIX系統中，如果要操作某個進程（如終止進程），就要通過PID來指明。到目前為止，一切正常。
緊接著有趣的事情發生了。進程調用了fork()系統調用，這是作業系統提供的創建新進程的方法。新創建的進程幾乎與調用進程完全一樣，對作業系統來說，這時看起來有兩個完全一樣的p1程序在運行，並都從fork()系統調用中返回。新創建的進程稱為子進程（child），原來的進程稱為父進程（parent）。子進程不會從main()函數開始執行（因此hello world信息只輸出了一次），而是直接從fork()系統調用返回，就好像是它自己調用了fork()。
你可能已經注意到，子進程並不是完全拷貝了父進程。具體來說，雖然它擁有自己的地址空間（即擁有自己的私有內存）、寄存器、程序計數器等，但是它從fork()返回的值是不同的。父進程獲得的返回值是新創建子進程的PID，而子進程獲得的返回值是0。這個差別非常重要，因為這樣就很容易編寫代碼處理兩種不同的情況（像上面那樣）。
你可能還會注意到，它的輸出不是確定的（deterministic）。子進程被創建後，我們就需要關心系統中的兩個活動進程了：子進程和父進程。假設我們在單個CPU的系統上運行（簡單起見），那么子進程或父進程在此時都有可能運行。在上面的例子中，父進程先運行並輸出信息。在其他情況下，子進程可能先運行，會有下面的輸出結果：
prompt> ./p1
hello world (pid:29146)
hello, I am child (pid:29147)
hello, I am parent of 29147 (pid:29146)
prompt>
CPU調度程序（scheduler）決定了某個時刻哪個進程被執行，我們稍後將詳細介紹這部分內容。由於CPU調度程序非常複雜，所以我們不能假設哪個進程會先運行。事實表明，這種不確定性（non-determinism）會導致一些很有趣的問題，特別是在多線程程序（multi-threaded program）中。在本書第2部分中學習並發（concurrency）時，我們會看到許多不確定性。
5.2 wait()系統調用
到目前為止，我們沒有做太多事情：只是創建了一個子進程，列印了一些信息並退出。事實表明，有時候父進程需要等待子進程執行完畢，這很有用。這項任務由wait()系統調用（或者更完整的兄弟接口waitpid()）。圖5.2展示了更多細節。
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <sys/wait.h>
5
6 int
7 main(int argc, char *argv[])
8 {
9 printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
10 int rc = fork();
11 if (rc < 0) { // fork failed; exit
12 fprintf(stderr, "fork failed\n");
13 exit(1);
14 } else if (rc == 0) { // child (new process)
15 printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
16 } else { // parent goes down this path (main)
17 int wc = wait(NULL);
18 printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
19 rc, wc, (int) getpid());
20 }
21 return 0;
22 }
圖5.2 調用fork()和wait()（p2.c）
在p2.c的例子中，父進程調用wait()，延遲自己的執行，直到子進程執行完畢。當子進程結束時，wait()才返回父進程。
上面的代碼增加了wait()調用，因此輸出結果也變得確定了。這是為什麼呢？想想看。
（等你想想看……好了）
下面是輸出結果：
prompt> ./p2
hello world (pid:29266)
hello, I am child (pid:29267)
hello, I am parent of 29267 (wc:29267) (pid:29266)
prompt>
通過這段代碼，現在我們知道子進程總是先輸出結果。為什麼知道？好吧，它可能只是碰巧先運行，像以前一樣，因此先於父進程輸出結果。但是，如果父進程碰巧先運行，它會馬上調用wait()。該系統調用會在子進程運行結束後才返回[2]。因此，即使父進程先運行，它也會禮貌地等待子進程運行完畢，然後wait()返回，接著父進程才輸出自己的信息。
5.3 最後是exec()系統調用
最後是exec()系統調用，它也是創建進程API的一個重要部分[3]。這個系統調用可以讓子進程執行與父進程不同的程序。例如，在p2.c中調用fork()，這只是在你想運行相同程序的拷貝時有用。但時，我們常常想運行不同的程序，exec()正好做這樣的事（見圖5.3）。
prompt> ./p3
hello world (pid:29383)
hello, I am child (pid:29384)
29 107 1030 p3.c
hello, I am parent of 29384 (wc:29384) (pid:29383)
prompt>
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <string.h>
5 #include <sys/wait.h>
6
7 int
8 main(int argc, char *argv[])
9 {
10 printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
11 int rc = fork();
12 if (rc < 0) { // fork failed; exit
13 fprintf(stderr, "fork failed\n");
14 exit(1);
15 } else if (rc == 0) { // child (new process)
16 printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
17 char *myargs[3];
18 myargs[0] = strdup("wc"); // program: "wc" (word count)
19 myargs[1] = strdup("p3.c"); // argument: file to count
20 myargs[2] = NULL; // marks end of array
21 execvp(myargs[0], myargs); // runs word count
22 printf("this shouldn't print out");
23 } else { // parent goes down this path (main)
24 int wc = wait(NULL);
25 printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
26 rc, wc, (int) getpid());
27 }
28 return 0;
29 }
圖5.3 調用fork()、wait()和exec()（p3.c）
在這個例子中，子進程調用execvp()來運行字符計數程序wc。實際上，它針對原始碼文件p3.c運行wc，從而告訴我們該文件有多少行、多少單詞，以及多少字節。
fork()系統調用很奇怪，它的夥伴exec()也不一般。給定可執行程序的名稱（如wc）及需要的參數（如p3.c）後，exec()會從可執行程序中加載代碼和靜態數據，並用它覆寫自己的代碼段（以及靜態數據），堆、棧及其他內存空間也會被重新初始化。然後作業系統就執行該程序，將參數通過argv傳遞給該進程。因此，它並沒有創建新進程，而是直接將當前運行的程序（以前的p3）替換為不同的運行程序（wc）。子進程執行exec()之後，幾乎就像p3.c從未運行過一樣。對exec()的成功調用永遠不會返回。
5.4 為什麼這樣設計API
當然，你的心中可能有一個大大的問號：為什麼設計如此奇怪的接口，來完成簡單的、創建新進程的任務？好吧，事實證明，這種分離fork()及exec()的做法在構建UNIX shell的時候非常有用，因為這給了shell在fork之後exec之前運行代碼的機會，這些代碼可以在運行新程序前改變環境，從而讓一系列有趣的功能很容易實現。
提示：重要的是做對事（LAMPSON定律）
Lampson在他的著名論文《Hints for Computer Systems Design》[L83]中曾經說過：「做對事（Get it right）。抽象和簡化都不能替代做對事。」有時你必須做正確的事，當你這樣做時，總是好過其他方案。有許多方式來設計創建進程的API，但fork()和exec()的組合既簡單又極其強大。因此UNIX的設計師們做對了。因為Lampson經常「做對事」，所以我們就以他來命名這條定律。
shell也是一個用戶程序[4]，它首先顯示一個提示符（prompt），然後等待用戶輸入。你可以向它輸入一個命令（一個可執行程序的名稱及需要的參數），大多數情況下，shell可以在文件系統中找到這個可執行程序，調用fork()創建新進程，並調用exec()的某個變體來執行這個可執行程序，調用wait()等待該命令完成。子進程執行結束後，shell從wait()返回並再次輸出一個提示符，等待用戶輸入下一條命令。
fork()和exec()的分離，讓shell可以方便地實現很多有用的功能。比如：
prompt> wc p3.c > newfile.txt
在上面的例子中，wc的輸出結果被重定向（redirect）到文件newfile.txt中（通過newfile.txt之前的大於號來指明重定向）。shell實現結果重定向的方式也很簡單，當完成子進程的創建後，shell在調用exec()之前先關閉了標準輸出（standard output），打開了文件newfile.txt。這樣，即將運行的程序wc的輸出結果就被發送到該文件，而不是列印在螢幕上。
圖5.4展示了這樣做的一個程序。重定向的工作原理，是基於對作業系統管理文件描述符方式的假設。具體來說，UNIX系統從0開始尋找可以使用的文件描述符。在這個例子中，STDOUT_FILENO將成為第一個可用的文件描述符，因此在open()被調用時，得到賦值。然後子進程向標準輸出文件描述符的寫入（例如通過printf()這樣的函數），都會被透明地轉向新打開的文件，而不是螢幕。
下面是運行p4.c的結果：
prompt> ./p4
prompt> cat p4.output
32 109 846 p4.c
prompt>
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <string.h>
5 #include <fcntl.h>
6 #include <sys/wait.h>
7
8 int
9 main(int argc, char *argv[])
10 {
11 int rc = fork();
12 if (rc < 0) { // fork failed; exit
13 fprintf(stderr, "fork failed\n");
14 exit(1);
15 } else if (rc == 0) { // child: redirect standard output to a file
16 close(STDOUT_FILENO);
17 open("./p4.output", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, S_IRWXU);
18
19 // now exec "wc"...
20 char *myargs[3];
21 myargs[0] = strdup("wc"); // program: "wc" (word count)
22 myargs[1] = strdup("p4.c"); // argument: file to count
23 myargs[2] = NULL; // marks end of array
24 execvp(myargs[0], myargs); // runs word count
25 } else { // parent goes down this path (main)
26 int wc = wait(NULL);
27 }
28 return 0;
29 }
圖5.4 之前所有的工作加上重定向（p4.c）
關於這個輸出，你（至少）會注意到兩個有趣的地方。首先，當運行p4程序後，好像什麼也沒有發生。shell只是列印了命令提示符，等待用戶的下一個命令。但事實並非如此，p4確實調用了fork來創建新的子進程，之後調用execvp()來執行wc。螢幕上沒有看到輸出，是由於結果被重定向到文件p4.output。其次，當用cat命令列印輸出文件時，能看到運行wc的所有預期輸出。很酷吧？
UNIX管道也是用類似的方式實現的，但用的是pipe()系統調用。在這種情況下，一個進程的輸出被連結到了一個內核管道（pipe）上（隊列），另一個進程的輸入也被連接到了同一個管道上。因此，前一個進程的輸出無縫地作為後一個進程的輸入，許多命令可以用這種方式串聯在一起，共同完成某項任務。比如通過將grep、wc命令用管道連接可以完成從一個文件中查找某個詞，並統計其出現次數的功能：grep -o foo file | wc -l。
最後，我們剛才只是從較高的層面上簡單介紹了進程API，關於這些系統調用的細節，還有更多需要學習和理解。例如，在本書第 3 部分介紹文件系統時，我們會學習更多關於文件描述符的知識。現在，知道fork()和exec()組合在創建和操作進程時非常強大就足夠了。
補充：RTFM——閱讀man手冊
很多時候，本書提到某個系統調用或庫函數時，會建議閱讀man手冊。man手冊是UNIX系統中最原生的文檔，要知道它的出現甚至早於網絡（Web）。
花時間閱讀man手冊是系統程式設計師成長的必經之路。手冊里有許多有用的隱藏彩蛋。尤其是你正在使用的shell（如tcsh或bash），以及程序中需要使用的系統調用（以便了解返回值和異常情況）。
最後，閱讀man手冊可以避免尷尬。當你詢問同事某個fork細節時，他可能會回覆：「RTFM」。這是他在有禮貌地督促你閱讀man手冊（Read the Man）。RTFM中的F只是為這個短語增加了一點色彩……
5.5 其他API
除了上面提到的fork()、exec()和wait()之外，在UNIX中還有其他許多與進程交互的方式。比如可以通過kill()系統調用向進程發送信號（signal），包括要求進程睡眠、終止或其他有用的指令。實際上，整個信號子系統提供了一套豐富的向進程傳遞外部事件的途徑，包括接受和執行這些信號。
此外還有許多非常有用的命令行工具。比如通過ps命令來查看當前在運行的進程，閱讀man手冊來了解ps命令所接受的參數。工具top也很有用，它展示當前系統中進程消耗CPU或其他資源的情況。有趣的是，你常常會發現top命令自己就是最占用資源的，它或許有一點自大狂。此外還有許多CPU檢測工具，讓你方便快速地了解系統負載。比如，我們總是讓MenuMeters（來自Raging Menace公司）運行在Mac計算機的工具欄上，這樣就能隨時了解當前的CPU利用率。一般來說，對現狀了解得越多越好。
5.6 小結
本章介紹了在UNIX系統中創建進程需要的API：fork()、exec()和wait()。更多的細節可以閱讀Stevens和Rago的著作 [SR05]，尤其是關於進程控制、進程關係及信號的章節。其中的智慧讓人受益良多。
本文摘自《作業系統導論》
本書圍繞3個主題元素展開講解：虛擬化（virtualization）、並發（concurrency）和持久性（persistence）。對於這些概念的討論，最終延伸到討論作業系統所做的大多數重要事情。希望你在這個過程中體會到一些樂趣。學習新事物很有趣，對吧？
每個主要概念在若干章節中加以闡釋，其中大部分章節都提出了一個特定的問題，然後展示了解決它的方法。這些章節很簡短，嘗試（儘可能地）引用作為這些想法真正來源的源材料。我們寫這本書的目的之一就是釐清作業系統的發展脈絡，因為我們認為這有助於學生更清楚地理解過去是什麼、現在是什麼、將來會是什麼。在這種情況下，了解香腸的製作方法幾乎與了解香腸的優點一樣重要。