C 语言 posix_spawn

引言

posix_spawn 是 C 语言中的一个库函数，它根据 POSIX 的规范创建一个新进程。虽然 fork 总是通过执行应用程序来创建新实例，但 posix_spawn 将这两个操作合并为一个调用。此函数可用于使用给定的程序映像创建新进程，从而增强进程创建和执行的顺序。后一种方法在性能关键型应用程序中尤其有利，因为此时 fork 和 exec 的开销可能非常高。

为什么 posix_spawn 比其他进程创建操作更好？

几个优势使 posix_spawn 成为比传统 fork 和 exec 方法更优选的选择

• 性能效率：据报道，posix_spawn 在用于进程创建时具有许多优势，因为它降低了此过程中的开销。它消除了复制父进程地址空间的需要，而这在 fork 中是相当耗费资源的。posix_spawn 非常高效，因为它在一个调用中创建和运行进程；这在系统资源紧张的情况下尤其如此。
• 简化的错误处理：在使用 fork 结合 exec 时发生的错误是特殊的，因为 fork 和 exec 都可能失败，但失败的方式略有不同。posix_spawn 通过一个简单的单次调用使此过程更容易，该调用在管理错误方面简单得多，从而使代码更可靠、更轻松、更易于管理。
• 线程安全：Fork 在多线程应用程序中尤其会带来大问题，因为它们只复制调用线程。这会导致新进程处于不一致的状态，在大多数情况下这都是不利的。posix_spawn 没有这些问题，因为它不复制完整的进程状态；因此，它在多线程程序中更安全、更确定。
• 增强的灵活性：posix_spawn 还意味着会生成更多的属性和文件操作，这可以为开发人员提供对新进程的更多控制。这包括信号掩码、进程优先级以及文件描述符操作；因此，它在各种应用程序设置中更加灵活。

POSIX 标准和进程创建

Portable Operating System Interface (POSIX) 是 IEEE 确定的一系列标准，用于统一操作系统。POSIX 包括应用程序编程接口 (API)、命令接口和实用程序接口，其目标是使在某一个符合标准的系统上开发的应用程序能够在另一个系统上运行而无需修改。这些标准涉及系统功能的许多方面、它控制的进程、它使用的文件以及进程之间的通信。

POSIX 标准对于应用程序在各种类 UNIX 系统上的适用性至关重要。它们保证了许多恒定的函数和活动，程序员可以依赖它们，这在将应用程序从一个平台迁移到另一个平台时可以节省时间和精力。因此，通过遵循这些标准，开发人员可以获得健壮的代码，从而减少错误、 bug 或不必要的修改。

C 中传统的进程创建方法

在调用 posix_spawn 之前，在类 UNIX 操作系统中通常使用 fork 结合 exec 来创建新进程。结合使用这两个函数，进程可以启动一个新进程并用新程序替换地址空间。

• Fork 函数：Fork 函数从调用它的现有进程创建一个新进程。新创建的进程称为子进程，是父进程的副本，但不包含返回值。事实上，这两个进程的对偶性可以让父进程和子进程并行执行代码的特定部分。
• Exec 函数：Exec 系列函数用于用程序映像替换进程映像。一旦 fork 在程序的某个点创建了一个新进程，在子进程的某个点就会适当地调用 exec 函数。Exec 函数成功后不会返回，因为新程序会继续执行进程。

使用方式是：fork 函数用于创建子进程，exec 函数在新建的子进程中实际启动程序。尽管这是一个灵活的解决方案，但我们使用的这两个步骤增加了显著的深度和潜在的性能问题，尤其是在应用于大规模应用程序或系统资源有限时。

fork 和 exec 的缺点

虽然 fork 和 exec 功能强大且广泛使用，但它们也有一些影响性能和可靠性的限制

• 资源密集：Fork 函数复制整个地址空间，这会消耗大量资源，对于大型程序来说这是令人沮丧的。它们注意到这种复制可能会导致性能问题和更高的系统负载，或者至少会导致一种复杂性，从而削弱了代码本应清晰的结构。
• 复杂的错误处理：Fork 和 exec 调用中的错误处理应该小心进行，但这并不容易做到。每一步都可能单独出错，错误报告部分必须考虑父进程或子进程中的错误，这进一步复杂化了遇到 bug 的可能性。
• 安全问题：在多线程应用程序中，fork 只复制调用线程；当应用程序中使用其他线程时，会导致新进程的状态混淆。这意味着 fork 不会创建整个进程的副本，这可能导致同步参数和共享访问资源的问题，这使得 fork 对于复杂的多线程应用程序来说不太可取。

posix_spawn 的基本语法和参数

posix_spawn 通过将 fork 和 exec 的功能合并到一个函数中，以类似的方式帮助简化 C 中的进程创建。以下是其参数的基本概述

• PID：在此参数中，函数接收指向 pid_t 变量的指针，该变量将保存所生成子进程的进程 ID。
• Path：新进程的可执行文件的路径。请检查以上数据并进行必要的更正。
• file_actions：指向 posix_spawn_file_actions_t 对象，该对象定义了要在子进程中执行的文件描述符操作（例如，关闭或复制文件描述符）。如果不需要对文件执行特定操作，则可以为 NULL。
• attrp：指向 posix_spawnattr_t 对象的指针，该对象将包含新进程的属性，例如信号掩码和调度策略。如果没有特定表所需的特殊属性，则可以为 NULL。
• argv：传递给新程序调用的字符串参数。传统上，第一个参数应该是程序的名称。
• envp：新进程的环境字符串数组；这些字符串将可用于新创建的进程。如果为 NULL，则新进程将继承其创建时调用的进程的环境。

为 posix_spawn 设置环境

要在 C 编程中正确使用 posix_spawn，开发环境需要满足某些条件。以下是基本步骤：

包含必要的头文件：posix_spawn 的主头文件是 spawn.h。在程序中包含此头文件可提供函数原型以及所需的类型定义。

• 确保标准库可用：posix_spawn 也是 POSIX 标准的一部分，因此它是标准 C 库 libc 的一部分。这是因为它检查并支持不同类 UNIX 操作系统实现的兼容性。
• 文件操作设置（可选）：posix_spawn 具有一项功能，可以提供对新生成进程内文件描述符的控制，即 posix_spawn_file_actions_t。可以通过此方式设置关闭、复制或打开 FD 等操作。其中一些操作可以启动或设置，以帮助处理生成进程中的资源。
• 进程属性配置（可选）：posix_spawnattr_t 是另一个对象，其中包含新进程的标志以及信号掩码、调度和优先级等特征。这为生成进程将要运行的环境提供了额外的控制。
• 确保兼容性：确保您的开发平台和目标系统实现了 POSIX 标准。这确保了 posix_spawn 等函数以及相关的类型和操作存在且功能符合预期。

示例

输出

 
The child process exited with status 0    

posix_spawn 中的错误处理

POSIX-Spawn 关注错误处理，以确保使用它的应用程序免受故障的保护。posix_spawn 函数包含 fork 和 exec 的功能，但主要考虑的是，与任何程序一样，在执行 posix_spawn 函数的过程中可能存在潜在的错误。以下是 posix_spawn 中错误处理的关键方面：

• 返回值检查
  • 成功与失败：posix_spawn 成功时返回 0，失败时返回非零错误代码。为了确保进程创建和执行成功，必须检查返回值。
  • 立即操作：posix_spawn 返回的任何错误都应立即处理，例如记录错误、释放已用资源或终止程序。
• 常见错误代码
  • EAGAIN：由于系统资源不足，无法创建新的进程 ID。当系统繁忙或在给定时间内允许进入队列的进程数量有限时，可能会发生这种情况。
  • ENOMEM：分配给创建新进程的内存映射不可用。这表明组织中存在资源稀缺问题，这是更严重的问题。
  • ENOENT：指定的路径不存在，或者指定路径的文件不存在。通常是文件名或提供的路径名称有误，文件已移动或删除。
  • EACCES：禁止访问执行所述文件。这通常通过更改文件权限或以不同的权限级别执行程序来解决。
• 详细错误消息
  • 使用 error 或 strerror：使用 error 或 strerror，您可以打印有关特定错误的详细信息。它有助于调试，因为它帮助您识别程序失败的具体原因。
  • 上下文信息：返回错误时，某些有用的信息是关于错误发现的位置和原因的附加上下文。
• 资源清理
  • 文件操作：如果在初始化文件操作后 posix_spawn 失败，则必须使用 posix_spawn_file_actions_destroy 来销毁这些操作。这可以确保如果某个子系统收到了文件操作的资源，那么这些资源将被释放。
  • 属性：同样，如果设置了进程属性，则应使用 posix_spawnattr_destroy 来释放它们，以免耗尽系统内存。

posix_spawn 的优点和缺点

优点

• 单步进程创建：与 fork 和 exec 不同，posix_spawn 在一个进程中完成这两项操作，减少了克隆地址空间的开销。这对于需要调用新内存映像的大型进程特别有用；前一个过程不涉及昂贵的内存复制，这是 fork 的要求。
• 简化的错误处理：在 posix_spawn 的情况下，新进程的创建和执行都在同一个函数中完成，因此错误管理的任务更加容易。不需要对多个函数调用进行错误处理，例如 fork 然后执行（forked > executed），这使得代码更简单，更容易测试和修改。
• 在多线程环境中更安全：posix_spawn 比 fork 更安全地用于线程。当在多线程应用程序中使用 fork 时，只有调用线程会被复制到子程序，这会导致同步状态问题。posix_spawn 没有这些问题，因为它创建一个新进程，跳过了复制当前进程状态的许多步骤。
• 灵活的文件操作：posix_spawn_file_actions_t 结构允许对新进程的文件描述符进行精细调整。打开或创建文件描述符，允许更好地管理资源并准备要传递给子进程的执行环境。
• 可自定义的属性：posix_spawnattr_t 结构允许设置生成进程的某些参数，例如信号掩码、调度算法和优先级。使用 fork 和 exec 组合时，无法直接实现这种自定义。

缺点

• 仅限于 POSIX 系统：posix_spawn 是一个 POSIX 系统调用，而不是纯 C 标准；在非 POSIX 操作系统（如某些嵌入式系统或 Microsoft Windows）上，它可能不可用或功能不如本章所述。这降低了使用 posix_spawn 的代码跨各种应用程序迁移的可能性。
• 需要额外学习：虽然经验丰富的开发人员知道传统的 fork-exec 模型，但 posix_spawn 最初更难理解。新的结构和用于文件操作和属性的函数等计算机科学概念意味着需要获得关于所使用的 API 的更多知识。
• 执行流程灵活性较低：posix_spawn 通过将更复杂的步骤合并到一个函数中来优化进程创建，但在此过程中，它限制了微调进程执行模式的能力。使用 fork 和 exec，开发人员有机会在两次调用之间修改子进程环境，例如更改目录和修改环境变量，这在使用 posix_spawn 时有时会很麻烦。
• 单点故障：posix_spawn 实际上是一个组合的系统调用，它将多个过程统一到一个调用中，该调用不易调试或分析失败点。更重要的是，如果 fork 和 exec 操作是分开执行的，那么更容易定位发生失败的具体时刻，无论是在进程创建阶段还是在新程序运行阶段。

结论

总之，posix_spawn 基本是 POSIX 兼容系统领域中一种固有的优化进程创建系统调用，因此在效率、易用性和线程安全性方面，它显然优于传统的 fork 和 exec。错误处理对于实现健壮的应用程序非常重要；必须始终检查返回值，必须弄清楚错误代码，并且必须仔细关闭所有使用的资源。在进程创建方面，操作系统将其描述为：通过妥善处理这些方面，可以防止容易出现的与进程相关的问题，例如资源泄漏和进程行为异常。然而，posix_spawn 能够微调进程属性和文件操作，这使其适用于复杂的应用程序。尽管如此，posix_spawn 是一个有价值的函数，但前提是使用得当，因为它需要一定的学习过程，并且有时会变得复杂。了解和编程 posix_spawn 使应用程序开发人员能够设计出在当今复杂的环境中运行的有效、高效和可靠的应用程序。