實例詳解 Linux 中的 fork() 函數

wu_xinguo 8年前發布 | 39K 次閱讀 Linux

一、fork 入門知識

一個進程，包括代碼、數據和分配給進程的資源。fork（）函數通過系統調用創建一個與原來進程幾乎完全相同的進程，也就是兩個進程可以做完全相同的事，但如果初始參數或者傳入的變量不同，兩個進程也可以做不同的事。

一個進程調用fork（）函數后，系統先給新的進程分配資源，例如存儲數據和代碼的空間。然后把原來的進程的所有值都復制到新的新進程中，只有少數值與原來的進程的值不同。相當于克隆了一個自己。

我們來看一個例子：

/  fork_test.c
  version 1  Created on: 2010-5-29
      Author: wangth/  


include <unistd.h>  


include <stdio.h>  


int main ()  
{  
    pid_tfpid; //fpid表示fork函數返回的值  
    int count=0;  
    fpid=fork();  
    if (fpid < 0)  
        printf("error in fork!");  
    else if (fpid == 0) {  
        printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());  
        printf("我是爹的兒子/n");//對某些人來說中文看著更直白。  
        count++;  
    }  
    else {  
        printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());  
        printf("我是孩子他爹/n");  
        count++;  
    }  
    printf("統計結果是: %d/n",count);  
    return 0;  
}
</code></pre> 
  
運行結果是：
 
  
i am the child process, my process id is 5574
 
  
我是爹的兒子
 
  
統計結果是: 1
 
  
i am the parent process, my process id is 5573
 
  
我是孩子他爹
 
  
統計結果是: 1
 
  
在語句fpid=fork()之前，只有一個進程在執行這段代碼，但在這條語句之后，就變成兩個進程在執行了，這兩個進程的幾乎完全相同，將要執行的下一條語句都是if(fpid<0)……
 
  
為什么兩個進程的fpid不同呢，這與fork函數的特性有關。fork調用的一個奇妙之處就是它僅僅被調用一次，卻能夠返回兩次，它可能有三種不同的返回值：
 
  
1）在父進程中，fork返回新創建子進程的進程ID；
 
  
2）在子進程中，fork返回0；
 
  
3）如果出現錯誤，fork返回一個負值；
 
  
在fork函數執行完畢后，如果創建新進程成功，則出現兩個進程，一個是子進程，一個是父進程。在子進程中，fork函數返回0，在父進程中，fork返回新創建子進程的進程ID。我們可以通過fork返回的值來判斷當前進程是子進程還是父進程。
 
  
引用一位網友的話來解釋fpid的值為什么在父子進程中不同。“其實就相當于鏈表，進程形成了鏈表，父進程的fpid(p 意味point)指向子進程的進程id, 因為子進程沒有子進程，所以其fpid為0.
 
  
fork出錯可能有兩種原因：
 
  
1）當前的進程數已經達到了系統規定的上限，這時errno的值被設置為EAGAIN。
 
  
2）系統內存不足，這時errno的值被設置為ENOMEM。
 
  
創建新進程成功后，系統中出現兩個基本完全相同的進程，這兩個進程執行沒有固定的先后順序，哪個進程先執行要看系統的進程調度策略
 
  
每個進程都有一個獨特（互不相同）的進程標識符（process ID），可以通過getpid（）函數獲得，還有一個記錄父進程pid的變量，可以通過getppid（）函數獲得變量的值。
 
  
fork執行完畢后，出現兩個進程，
 
  
 
  
有人說兩個進程的內容完全一樣啊，怎么打印的結果不一樣啊，那是因為判斷條件的原因，上面列舉的只是進程的代碼和指令，還有變量啊
 
  
執行完fork后，進程1的變量為count=0，fpid！=0（父進程）。進程2的變量為count=0，fpid=0（子進程），這兩個進程的變量都是獨立的，存在不同的地址中，不是共用的，這點要注意。可以說，我們就是通過fpid來識別和操作父子進程的。
 
  
還有人可能疑惑為什么不是從#include處開始復制代碼的，這是因為fork是把進程當前的情況拷貝一份，執行fork時，進程已經執行完了int count=0;fork只拷貝下一個要執行的代碼到新的進程。
 
  
二、fork 進階知識
 
  
先看一份代碼：
 
  
/  fork_test.c
  version 2  Created on: 2010-5-29
      Author: wangth/  


include <unistd.h>  


include <stdio.h>  


int main(void)  
{  
  int i=0;  
  printf("i son/pa ppid pid  fpid/n");  
  //ppid指當前進程的父進程pid  
  //pid指當前進程的pid,  
  //fpid指fork返回給當前進程的值  
  for(i=0;i<2;i++){  
      pid_tfpid=fork();  
      if(fpid==0)  
          printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
      else  
          printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
  }  
  return 0;  
}
</code></pre> 
  
運行結果是：
 
  
i son/pa ppid pid  fpid
 
  
0 parent 2043 3224 3225
 
  
0 child  3224 3225    0
 
  
1 parent 2043 3224 3226
 
  
1 parent 3224 3225 3227
 
  
1 child     1 3227    0
 
  
1 child     1 3226    0
 
  
這份代碼比較有意思，我們來認真分析一下：
 
  
第一步：在父進程中，指令執行到for循環中，i=0，接著執行fork，fork執行完后，系統中出現兩個進程，分別是p3224和p3225（后面我都用pxxxx表示進程id為xxxx的進程）。可以看到父進程p3224的父進程是p2043，子進程p3225的父進程正好是p3224。我們用一個鏈表來表示這個關系：
 
  
p2043->p3224->p3225
 
  
第一次fork后，p3224（父進程）的變量為i=0，fpid=3225（fork函數在父進程中返向子進程id），代碼內容為：
 
  
for(i=0;i<2;i++){  
    pid_tfpid=fork();//執行完畢，i=0，fpid=3225  
    if(fpid==0)  
      printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
    else  
      printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
}  
return 0;

 
  
p3225（子進程）的變量為i=0，fpid=0（fork函數在子進程中返回0），代碼內容為：
 
  
for(i=0;i<2;i++){  
    pid_tfpid=fork();//執行完畢，i=0，fpid=0  
    if(fpid==0)  
      printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
    else  
      printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
}  
return 0;

 
  
所以打印出結果：
 
  
0 parent 2043 3224 3225
 
  
0 child  3224 3225    0
 
  
第二步：假設父進程p3224先執行，當進入下一個循環時，i=1，接著執行fork，系統中又新增一個進程p3226，對于此時的父進程，p2043->p3224（當前進程）->p3226（被創建的子進程）。
 
  
對于子進程p3225，執行完第一次循環后，i=1，接著執行fork，系統中新增一個進程p3227，對于此進程，p3224->p3225（當前進程）->p3227（被創建的子進程）。從輸出可以看到p3225原來是p3224的子進程，現在變成p3227的父進程。父子是相對的，這個大家應該容易理解。只要當前進程執行了fork，該進程就變成了父進程了，就打印出了parent。
 
  
所以打印出結果是：
 
  
1 parent 2043 3224 3226
 
  
1 parent 3224 3225 3227
 
  
第三步：第二步創建了兩個進程p3226，p3227，這兩個進程執行完printf函數后就結束了，因為這兩個進程無法進入第三次循環，無法fork，該執行return 0;了，其他進程也是如此。
 
  
以下是p3226，p3227打印出的結果：
 
  
1 child     1 3227    0
 
  
1 child     1 3226    0
 
  
細心的讀者可能注意到p3226，p3227的父進程難道不該是p3224和p3225嗎，怎么會是1呢？這里得講到進程的創建和死亡的過程，在p3224和p3225執行完第二個循環后，main函數就該退出了，也即進程該死亡了，因為它已經做完所有事情了。p3224和p3225死亡后，p3226，p3227就沒有父進程了，這在操作系統是不被允許的，所以p3226，p3227的父進程就被置為p1了，p1是永遠不會死亡的，至于為什么，這里先不介紹，留到“三、fork高階知識”講。
 
  
總結一下，這個程序執行的流程如下：
 
  
 
  
這個程序最終產生了3個子進程，執行過6次printf（）函數。
 
  
我們再來看一份代碼：
 
  
/  fork_test.c
  version 3  Created on: 2010-5-29
      Author: wangth/  


include <unistd.h>  


include <stdio.h>  


int main(void)  
{  
  int i=0;  
  for(i=0;i<3;i++){  
      pid_tfpid=fork();  
      if(fpid==0)  
          printf("son/n");  
      else  
          printf("father/n");  
  }  
  return 0;  
  
}
</code></pre> 
  
它的執行結果是：
 
  
father
 
  
son
 
  
father
 
  
father
 
  
father
 
  
father
 
  
son
 
  
son
 
  
father
 
  
son
 
  
son
 
  
son
 
  
father
 
  
son
 
  
這里就不做詳細解釋了，只做一個大概的分析。
 
  
 
  
其中每一行分別代表一個進程的運行打印結果。
 
  
總結一下規律，對于這種N次循環的情況，執行printf函數的次數為2*（1+2+4+……+2 N-1 ）次，創建的子進程數為1+2+4+……+2 N-1 個。 (感謝gao_jiawei網友指出的錯誤，原本我的結論是“執行printf函數的次數為2*（1+2+4+……+2 N ）次，創建的子進程數為1+2+4+……+2 N ”，這是錯的)
 
  
網上有人說N次循環產生2*（1+2+4+……+2 N ）個進程，這個說法是不對的，希望大家需要注意。
 
  
同時，大家如果想測一下一個程序中到底創建了幾個子進程，最好的方法就是調用printf函數打印該進程的pid，也即調用printf(“%d/n”,getpid());或者通過printf(“+/n”);來判斷產生了幾個進程。有人想通過調用printf(“+”);來統計創建了幾個進程，這是不妥當的。具體原因我來分析。
 
  
老規矩，大家看一下下面的代碼：
 
  
/  fork_test.c
  version 4  Created on: 2010-5-29
      Author: wangth/  


include <unistd.h>  


include <stdio.h>  


int main() {  
    pid_tfpid;//fpid表示fork函數返回的值  
    //printf("fork!");  
    printf("fork!/n");  
    fpid = fork();  
    if (fpid < 0)  
        printf("error in fork!");  
    else if (fpid == 0)  
        printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());  
    else  
        printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());  
    return 0;  
}
</code></pre> 
  
執行結果如下：
 
  
fork!
 I am the parent process, my process id is 3361
 I am the child process, my process id is 3362
 
  
如果把語句printf(“fork!/n”);注釋掉，執行printf(“fork!”);
 則新的程序的執行結果是：
 
  
fork!I am the parent process, my process id is 3298
 fork!I am the child process, my process id is 3299
 
  
程序的唯一的區別就在于一個/n回車符號，為什么結果會相差這么大呢？
 
  
這就跟printf的緩沖機制有關了，printf某些內容時，操作系統僅僅是把該內容放到了stdout的緩沖隊列里了,并沒有實際的寫到屏幕上。但是,只要看到有/n 則會立即刷新stdout,因此就馬上能夠打印了。
 
  
運行了printf(“fork!”)后,“fork!”僅僅被放到了緩沖里,程序運行到fork時緩沖里面的“fork!”  被子進程復制過去了。因此在子進程度stdout緩沖里面就也有了fork! 。所以,你最終看到的會是fork!  被printf了2次！！！！
 
  
而運行printf(“fork! /n”)后,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子進程里的stdout緩沖里不會有fork! 內容。因此你看到的結果會是fork! 被printf了1次！！！！
 
  
所以說printf(“+”);不能正確地反應進程的數量。
 
  
大家看了這么多可能有點疲倦吧，不過我還得貼最后一份代碼來進一步分析fork函數。
 
  
#include <stdio.h>  


include <unistd.h>  


int main(int argc, char argv[])  
{  
  fork();  
  fork() && fork() || fork();  
  fork();  
  return 0;  
}
</code></pre> 
  
問題是不算main這個進程自身，程序到底創建了多少個進程。
 為了解答這個問題，我們先做一下弊，先用程序驗證一下，到此有多少個進程。
 
  
#include <stdio.h>  
int main(int argc, char argv[])  
{  
  fork();  
  fork() && fork() || fork();  
  fork();  
  printf("+/n");  
}
</code></pre> 
  
答案是總共20個進程，除去main進程，還有19個進程。
 
  
我們再來仔細分析一下，為什么是還有19個進程。
 第一個fork和最后一個fork肯定是會執行的。
 主要在中間3個fork上，可以畫一個圖進行描述。
 這里就需要注意&&和||運算符。
 A&&B，如果A=0，就沒有必要繼續執行&&B了；A非0，就需要繼續執行&&B。
 A||B，如果A非0，就沒有必要繼續執行||B了，A=0，就需要繼續執行||B。
 
  
fork()對于父進程和子進程的返回值是不同的，按照上面的A&&B和A||B的分支進行畫圖，可以得出5個分支。
 
  
 
  
加上前面的fork和最后的fork，總共4*5=20個進程，除去main主進程，就是19個進程了。
 
  
三、fork高階知識
 
  
這一塊我主要就fork函數講一下操作系統進程的創建、死亡和調度等。
 
  
 
 
  
 
 
  
來自：http://blog.jobbole.com/106481/
 
  
 
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