Unix/Linux中的fork函数

fork函数介绍

　　一个现有进程能够调用fork函数建立一个新进程。该函数定义以下：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
// 返回：若成功则在子进程中返回0，在父进程中返回子进程ID，若出错则返回-1

　　fork函数调用一次，返回两次。它在调用进程（称为父进程）中返回一次，返回值是新派生进程（称为子进程）的进程ID号；在子进程中返回一次，返回值为0。所以，返回值自己告知当前进程是子进程仍是父进程。

　　fork在子进程返回0而不是父进程的进程ID的缘由在于：任何子进程只有一个父进程，并且子进程老是能够经过调用getppid取得父进程的进程ID。相反，父进程能够有不少子进程，并且没法获取各个子进程的进程ID。若是父进程想要跟踪全部子进程的进程ID，那么它必须记录每次调用fork的返回值。另外，进程ID 0老是由内核交换进程使用，因此一个子进程的进程ID不可能为0。

　　子进程和父进程继续执行fork调用以后的指令。子进程是父进程的副本。例如，子进程得到父进程数据空间、堆和栈的副本。父、子进程并不共享这些存储空间部分。父、子进程共享代码段。

　　因为在fork以后常常跟随着exec，因此如今的不少实现并不执行一个父进程数据段、堆和栈的彻底复制。做为替代，使用了写时复制（Copy-On-Write, COW）技术。这些区域由父、子进程共享，并且内核将它们的访问权限改变为只读的。若是父、子进程中的任一个试图修改这些区域，则内核只为修改区域的那块内存制做一个副本，一般是虚拟存储器系统的一“页”。

　　使fork失败的两个主要缘由是：1）系统中已经有太多的进程（一般意味着某个方面出了问题）；2）实际用户的进程总数超过了系统限制。

附：exec函数

　　用fork函数建立子进程后，子进程每每要调用一种exec函数以执行另外一个程序。当进程调用一种exec函数时，该进程执行的程序彻底替换为新程序，而新程序则从其main函数开始执行。由于调用exec并不建立新进程，因此先后的进程ID并未改变。exec函数只是用一个全新的程序替换了当前进程的正文、数据、堆和栈端。

　　关于exec函数详细的请参考：

　　APUE 8.10节

　　进程控制

一个简单的例子

　　简单示例程序以下：

 1 #include <unistd.h>
 2 #include <stdio.h>
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     pid_t fpid;
 7     fpid = fork();
 8     
 9     if(fpid < 0)
10     {
11         printf("error in fork!");
12     }
13     else if(fpid == 0)
14     {
15         printf("\n=================================================\n");
16         printf("I am the child process, my process ID is %d\n", getpid());
17         printf("My parent process ID is %d\n", getppid());
18         printf("=================================================\n");
19     }
20     else
21     {
22         printf("\n=================================================\n");
23         printf("I am the parent process, my process ID is %d\n", getpid());
24         printf("=================================================\n");
25         sleep(5);
26     }
27 
28     return 0;
29 }

　　程序的运行结果是：

　　

　　按照惯常，程序按顺序执行，最终输出应该只有if...else if...else中一个条件下的结果，但很明显咱们这边输出了两个条件下的结果。具体缘由在于经过fork函数建立的子进程也会复制父进程的存储空间（数据、堆、栈等，包括程序计数器），建立了属于本身的存储空间，并从fork函数后开始执行。利用pstree命令能够看到子进程（ID 18406）确实继承自父进程（ID 18405）：

　　

　　通常来讲，在fork以后是父进程先执行仍是子进程先执行是不肯定的，这取决于内核所使用的调度算法。在上述程序中，父进程先执行，子进程在其以后执行。

关于fork面试题

题目及答案　　

　　下边的一道题摘自陈皓的博文：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/types.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 
 5 int main()
 6 {
 7     int i;
 8     for(i = 0; i < 2; i++)
 9     {
10         fork();
11         printf("-");
12     }
13 
14     sleep(10);
15     return 0;
16 }

　　请问上述程序会输出几个‘-’？6个仍是8个？

　　若是咱们不考虑printf函数的缓存效果，程序的最终输出是6个‘-’。但由于printf函数有缓存的效用，最终致使输出了8个‘-’。具体缘由可参照陈皓的博文。

不考虑printf函数缓存效用

　　为了去除printf函数缓存效用，咱们稍微改动一下程序：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/types.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 
 5 int main()
 6 {
 7     int i;
 8     for(i = 0; i < 2; i++)
 9     {
10         fork();
11         printf("-\n");
12     }
13 
14     sleep(10);
15     return 0;
16 }

　　这下输出就正确了。下边两图是程序输出结果和相应的进程（forktest3）树状图：

　　

　　

更直观的解析

　　为了更直观，咱们能够修改程序以下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/types.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 
 5 int main()
 6 {
 7     int i;
 8     for(i = 0; i < 2; i++)
 9     {
10         fork();
11         printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d \n", getppid(), getpid(), i);
12     }
13 
14     sleep(10);    //让进程停留十秒，这样咱们能够用pstree查看一下进程树
15     return 0;
16 }

　　输出结果以下：

　　

　　陈皓还给出了图示解释：

　　

　　上图中，相同颜色的是同一个进程。

　　而对于printf("-");这个语句，咱们就能够很清楚的知道，哪一个子进程复制了父进程标准输出缓中区里的的内容，而致使了屡次输出了。以下图所示，就是阴影并双边框了那两个子进程：

　　

其余可参考资料

　　Forking vs Threading

　　孤儿进程与僵尸进程[总结]

　　从一道面试题谈linux下fork的运行机制

　　经典的 Fork 炸弹解析

本文参考资料

　　《UNIX环境高级编程 第二版》

　　一个fork的面试题