multi-process programming

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pip_t fork(void)

#include <unistd.h>
extern char **environ;

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char * const argv[], char *const envp[]);

// path 参数指定可执行文件的完整路径
// file 参数可以接受文件名, 该文件的具体位置则在环境变量 PATH 中查找
// arg 接受可变参数, argv 则接受参数数组, 它们都会传递给新程序(path 或 file 指定的程序) 的 main 函数
// emvp 参数用于设置新程序的环境变量. 如果为设置, 则新程序将使用由全局变量 environ 指定的环境变量

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *stat_loc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);

static void handle)_child(int sig) {
	piud_t pid;
	int stat;
	while((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0) {
		// 对子进程进行善后处理
	}
}

#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

// key 参数是一个键值, 用来标识一个全局唯一的信号量集
// num_sems 参数指定要创建/获取的信号量集中信号量的数目. 如果是创建信号量则该值必须被指定, 如果是获取已经存在的信号量则可以将其设置为 0
// sem_flags 参数指定一组标志. 它低端的 9 个比特是该信号量的权限, 其格式和含义都与系统调用 open 和 mode 参数相同
// semget 成功时返回一个正整数值, 它是信号量集的标识符. 失败则返回 -1 并设置 errno

#include <sys/sem.h>

// 该结构体用于描述 IPC 对象(信号量，共享内存和消息队列)的权限
struct ipc_perm {
	key_t key; // 键值
	uid_t uid; //所有者的有效用户 ID
	gid_t git; // 所有者的有效组 ID
	uid_t cuid; // 创建者的有效用户 ID
	gid_t cgid; // 创建者的有效组 ID
	mode_t mode; // 访问权限
	// 省略其他填充字段
}

struct semid_ds {
	struct ipc_perm sem_perm; //信号量的操作权限
	unsigned long int sem_nsems; //该信号量集中信号的数目
	time_t sem_otime; // 最后一次调用 semop 的时间
	time_t sem_ctime; // 最后一次调用 semctl 的时间
	// 省略其他填充字段
}

unsigned short semval; //信号量的值
unsigned short semzcnt; // 等待信号量值变为 0 的进程数量
unsigned short semncnt; // 等待信号量值增加的进程数量
pid_t sempid; // 最后一次执行 semop 操作的进程 ID

#include <sys/sem.h>
int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

// sem_id 参数是由 semget 调用返回的信号量集标识符，可以指定被操作的目标信号量集
// sem_ops 参数指向一个 sembuf 结构体类型的数组
// num_sem_ops 指定要执行的操作个数，　即 sem_ops 数组中元素的个数．semop 对数组 sem_ops 中的每个成员按照数组顺序依次进行操作，并且该过程是原子操作，以避免个别的进程在同一时刻按照不同的顺序对该信号集中的信号量执行 semop 操作导致的竞争条件

// sembuf 结构体的定义
struct sembuf {
	unsigned short int sem_num; //信号量中信号量的编号，从 0 开始计数
	short int sem_op; //操作类型，且其行为受到 sem_flg 成员的影响
	short int sem_flg; //可选值是 IPC_NOWAIT 和 SEM_INDO．前者含义是无论信号量操作是否成功，semop 调用都将立即返回．后者的含义是当进程退出是取消正在进行的 semop 操作
}
// 具体行为参见书 Linux 高性能服务器编程.pdf p264

#include <sys/sem.h>
int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

// sem_id 参数是由 semget 调用返回的信号量标识符, 可以指定被操作的信号量集
// sem_num 参数指定被操作的信号量在信号量集中的编号
// command 参数指定要执行的命令
// 有的命令需要调用者传第 4 个参数. 第 4 个参数由用户自己定义

// semctl 成功时返回值取决于 command 参数. semctl 失败时返回 -1 并设置 errno

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


union semun {
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short int *array;
	struct seminfo *__buf;
};


// op 为 -1 时执行 p 操作, op 为 1 时执行 v 操作
void pv(int sem_id, int op) {
	struct sembuf sem_b;

	sem_b.sem_num = 0; //信号量集中信号的标识符
	sem_b.sem_op = op;
	sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; //当进程退出后取消正在进行的 semop 操作

	semop(sem_id, &sem_b, 1);
}


int main(int argc, char const *argv[]) {
	// 创建一个新的信号量集, 其中只有一个信号量, 权限为 0666
	int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);

	union semun sem_un;
	sem_un.val = 1;

	// SETVAL 操作将信号量的 semval 值设置为 semun.val, 同时内核数据中的 semid_ds.sem_ctime 被更新
	semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_un);

	pid_t id = fork();
	
	if(id < 0) {
		return 1;

	} else if(id == 0) {
		printf("child try to get binary sem\n");

		// 在父子进程间共享 IPC_PRIVATE 信号量的关键在于二者都可以操作信号量的标识符 sem_id

		pv(sem_id, -1);

		printf("child get the sem and would release it after 5 seconds\n");
		sleep(5);

		pv(sem_id, 1);

		exit(0);

	} else {
		printf("parent try get binary sem\n");

		pv(sem_id, -1);

		printf("parent get the sem and would release it after 5 seconds\n");
		sleep(5);

		pv(sem_id, 1);
	}

	// 捕获到子进程的 SIGCHLD 信号后彻底结束子进程
	waitpid(id, NULL, 0);
	// 删除信号量
	semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_un);

	return 0;
}

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// key 参数是一个键值, 用来标识一段全局唯一的共享内存
// size 参数指定共享内存的大小, 单位是字节, 如果是创建新的东西内存, 则 size 值必须被指定. 如果是获取已经存在的共享内存则可以将 size 设置为 0
// shmflg 参数的使用和含义和 semget 系统调用的 sem_flags 参数相同. 不过 shmget 支持两个额外的标志: SHM_HUGETLB(使用大页面来为共享内存分配空间) 和 SHM_NORESERVE(不为共享内存保留 swap 空间, 当物理内存不足时对该共享内存执行写操作将触发 SIGSEGV 信号)
// shmget 成功时返回一个正整数值即共享内存的标识符. shmget 失败时返回 -1 并设置 errno

struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm; // 共享内存的操作权限
	size_t shm_segsz; // 共享内存大小, 单位是字节
	__time_t shm_atime; // 对这段内存最后一次调用 shmat 的时间
	__time_t shm_dtime; // 对这段内存最后一次调用 shmdt 的时间
	__time_t shm_ctime; // 对这段内存最后一次调用 shmctl 的时间
	__pid_t shm_cpid; // 创建者的 PID
	__pid_t shm_lpid; // 最后一次执行 shmat 或 shmdt 操作的进程 PID
	shmatt_t shm_nattach; // 目前关联到此共享内存的进程数量
	// 省略一些填充字段
}

#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);
int shmdt(const void *shm_addr);

// shm_id 参数是由 shmget 调用返回的共享内存标识符
// shm_addr 参数指定共享内存关联到进程的那块地址空间, 最终的效果还受到 shmflg 参数的可选标志 SHM_RND 的影响
// shm_addr 通常被设置为 NULL, 表被关联的地址由操作系统选择, 以确保代码的可移植性
// 更多选择参见 Linux 高性能服务器编程.pdf p270

// shmat 成功时返回共享内存被关联到的地址, 失败则返回 (void*)-1 并设置 errno. shmat 成功时将修改内核数据结构 shmid_ds 的部分字段
// shm_nattach + 1
// shm_lpid 设置为调用的进程 PID
// shm_atime 设置为当前时间

// shmdt 函数将关联到 shm_addr 处的共享内存从进程中分离. 成功时返回 0, 失败则返回 -1 并设置 errno. shmdt 在成功调用时将修改内核数据结构 shmid_ds 的部分字段
// shm_nattach - 1
// shm_lpid 设置为调用进程的 PID
// shm_dtime 设置为当前时间

#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);
// shm_id 参数是由 shmget 调用返回的共享内存标识符
// command 参数指定要执行的命令
// shmctl 成功时返回值取决于 command 参数, shmctl 失败时返回 -1