Linux中的fork（）函數(shù)詳解
一、fork入門(mén)知識(shí)
一個(gè)進(jìn)程，包括代碼、數(shù)據(jù)和分配給進(jìn)程的資源。fork()函數(shù)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)與原來(lái)進(jìn)程幾乎完全相同的進(jìn)程，也就是兩個(gè)進(jìn)程可以做完全相同的事，但如果初始參數(shù)或者傳入的變量不同，兩個(gè)進(jìn)程也可以做不同的事。
一個(gè)進(jìn)程調(diào)用fork()函數(shù)后，系統(tǒng)先給新的進(jìn)程分配資源，例如存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和代碼的空間。然后把原來(lái)的進(jìn)程的所有值都復(fù)制到新的新進(jìn)程中，只有少數(shù)值與原來(lái)的進(jìn)程的值不同。相當(dāng)于克隆了一個(gè)自己。
我們來(lái)看一個(gè)例子：
- [cpp] view plaincopy
- /*
- * fork_test.c
- * version 1
- * Created on: 2010-5-29
- * Author: wangth
- */
- #include <unistd.h>
- #include <stdio.h>
- int main ()
- {
- pid_t fpid; //fpid表示fork函數(shù)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(duì)某些人來(lái)說(shuō)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(tǒng)計(jì)結(jié)果是: %d/n",count);
- return 0;
- }
運(yùn)行結(jié)果是：
i am the child process, my process id is 5574 我是爹的兒子 統(tǒng)計(jì)結(jié)果是: 1 i am the parent process, my process id is 5573 我是孩子他爹 統(tǒng)計(jì)結(jié)果是: 1
在語(yǔ)句fpid=fork()之前，只有一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行這段代碼，但在這條語(yǔ)句之后，就變成兩個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行了，這兩個(gè)進(jìn)程的幾乎完全相同，將要執(zhí)行的下一條語(yǔ)句都是if(fpid<0)……
為什么兩個(gè)進(jìn)程的fpid不同呢，這與fork函數(shù)的特性有關(guān)。
fork調(diào)用的一個(gè)奇妙之處就是它僅僅被調(diào)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(jìn)程中，fork返回新創(chuàng)建子進(jìn)程的進(jìn)程ID;
2)在子進(jìn)程中，fork返回0;
3)如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，fork返回一個(gè)負(fù)值;
在fork函數(shù)執(zhí)行完畢后，如果創(chuàng)建新進(jìn)程成功，則出現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程，一個(gè)是子進(jìn)程，一個(gè)是父進(jìn)程。在子進(jìn)程中，fork函數(shù)返回0，在父進(jìn)程中，fork返回新創(chuàng)建子進(jìn)程的進(jìn)程ID。我們可以通過(guò)fork返回的值來(lái)判斷當(dāng)前進(jìn)程是子進(jìn)程還是父進(jìn)程。
引用一位網(wǎng)友的話來(lái)解釋fpid的值為什么在父子進(jìn)程中不同。“其實(shí)就相當(dāng)于鏈表，進(jìn)程形成了鏈表，父進(jìn)程的fpid(p 意味point)指向子進(jìn)程的進(jìn)程id，因?yàn)樽舆M(jìn)程沒(méi)有子進(jìn)程，所以其fpid為0.
fork出錯(cuò)可能有兩種原因：
1)當(dāng)前的進(jìn)程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了系統(tǒng)規(guī)定的上限，這時(shí)errno的值被設(shè)置為EAGAIN。
2)系統(tǒng)內(nèi)存不足，這時(shí)errno的值被設(shè)置為ENOMEM。
創(chuàng)建新進(jìn)程成功后，系統(tǒng)中出現(xiàn)兩個(gè)基本完全相同的進(jìn)程，這兩個(gè)進(jìn)程執(zhí)行沒(méi)有固定的先后順序，哪個(gè)進(jìn)程先執(zhí)行要看系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度策略。
每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)獨(dú)特(互不相同)的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符(process ID)，可以通過(guò)getpid()函數(shù)獲得，還有一個(gè)記錄父進(jìn)程pid的變量，可以通過(guò)getppid()函數(shù)獲得變量的值。
fork執(zhí)行完畢后，出現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程，
有人說(shuō)兩個(gè)進(jìn)程的內(nèi)容完全一樣啊，怎么打印的結(jié)果不一樣啊，那是因?yàn)榕袛鄺l件的原因，上面列舉的只是進(jìn)程的代碼和指令，還有變量啊。
執(zhí)行完fork后，進(jìn)程1的變量為count=0，fpid!=0(父進(jìn)程)。進(jìn)程2的變量為count=0，fpid=0(子進(jìn)程)，這兩個(gè)進(jìn)程的變量都是獨(dú)立的，存在不同的地址中，不是共用的，這點(diǎn)要注意?？梢哉f(shuō)，我們就是通過(guò)fpid來(lái)識(shí)別和操作父子進(jìn)程的。
還有人可能疑惑為什么不是從#include處開(kāi)始復(fù)制代碼的，這是因?yàn)閒ork是把進(jìn)程當(dāng)前的情況拷貝一份，執(zhí)行fork時(shí)，進(jìn)程已經(jīng)執(zhí)行完了int count=0;
fork只拷貝下一個(gè)要執(zhí)行的代碼到新的進(jìn)程。
二、fork進(jìn)階知識(shí)
先看一份代碼：
- [cpp] view plaincopy
- /*
- * 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(dāng)前進(jìn)程的父進(jìn)程pid
- //pid指當(dāng)前進(jìn)程的pid,
- //fpid指fork返回給當(dāng)前進(jìn)程的值
- for(i=0;i<2;i++){
- pid_t fpid=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;
- }
運(yùn)行結(jié)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(lái)認(rèn)真分析一下：
***步：在父進(jìn)程中，指令執(zhí)行到for循環(huán)中，i=0，接著執(zhí)行fork，fork執(zhí)行完后，系統(tǒng)中出現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程，分別是p3224和p3225(后面我都用pxxxx表示進(jìn)程id為xxxx的進(jìn)程)。可以看到父進(jìn)程p3224的父進(jìn)程是p2043，子進(jìn)程p3225的父進(jìn)程正好是p3224。我們用一個(gè)鏈表來(lái)表示這個(gè)關(guān)系：
p2043->p3224->p3225
***次fork后，p3224(父進(jìn)程)的變量為i=0，fpid=3225(fork函數(shù)在父進(jìn)程中返向子進(jìn)程id)，代碼內(nèi)容為：
- [c-sharp] view plaincopy
- for(i=0;i<2;i++){
- pid_t fpid=fork();//執(zhí)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(jìn)程)的變量為i=0，fpid=0(fork函數(shù)在子進(jìn)程中返回0)，代碼內(nèi)容為：
- [c-sharp] view plaincopy
- for(i=0;i<2;i++){
- pid_t fpid=fork();//執(zhí)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(jié)果：
0 parent 2043 3224 3225 0 child 3224 3225 0
第二步：假設(shè)父進(jìn)程p3224先執(zhí)行，當(dāng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)時(shí)，i=1，接著執(zhí)行fork，系統(tǒng)中又新增一個(gè)進(jìn)程p3226，對(duì)于此時(shí)的父進(jìn)程，p2043->p3224(當(dāng)前進(jìn)程)->p3226(被創(chuàng)建的子進(jìn)程)。
對(duì)于子進(jìn)程p3225，執(zhí)行完***次循環(huán)后，i=1，接著執(zhí)行fork，系統(tǒng)中新增一個(gè)進(jìn)程p3227，對(duì)于此進(jìn)程，p3224->p3225(當(dāng)前進(jìn)程)->p3227(被創(chuàng)建的子進(jìn)程)。
從輸出可以看到p3225原來(lái)是p3224的子進(jìn)程，現(xiàn)在變成p3227的父進(jìn)程。父子是相對(duì)的，這個(gè)大家應(yīng)該容易理解。只要當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行了fork，該進(jìn)程就變成了父進(jìn)程了，就打印出了parent。
所以打印出結(jié)果是：
1 parent 2043 3224 3226 1 parent 3224 3225 3227
第三步：第二步創(chuàng)建了兩個(gè)進(jìn)程p3226，p3227，這兩個(gè)進(jìn)程執(zhí)行完printf函數(shù)后就結(jié)束了，因?yàn)檫@兩個(gè)進(jìn)程無(wú)法進(jìn)入第三次循環(huán)，無(wú)法fork，該執(zhí)行return 0;了，其他進(jìn)程也是如此。
以下是p3226，p3227打印出的結(jié)果：
1 child 1 3227 0 1 child 1 3226 0
細(xì)心的讀者可能注意到p3226，p3227的父進(jìn)程難道不該是p3224和p3225嗎，怎么會(huì)是1呢?這里得講到進(jìn)程的創(chuàng)建和死亡的過(guò)程，在p3224和p3225執(zhí)行完第二個(gè)循環(huán)后，main函數(shù)就該退出了，也即進(jìn)程該死亡了，因?yàn)樗呀?jīng)做完所有事情了。p3224和p3225死亡后，
p3226，p3227就沒(méi)有父進(jìn)程了，這在操作系統(tǒng)是不被允許的，所以p3226，p3227的父進(jìn)程就被置為p1了，p1是永遠(yuǎn)不會(huì)死亡的，至于為什么，這里先不介紹，留到“三、fork高階知識(shí)”講。
總結(jié)一下，這個(gè)程序執(zhí)行的流程如下：
這個(gè)程序最終產(chǎn)生了3個(gè)子進(jìn)程，執(zhí)行過(guò)6次printf()函數(shù)。
我們?cè)賮?lái)看一份代碼：
- [cpp] view plaincopy
- /*
- * 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_t fpid=fork();
- if(fpid==0)
- printf("son/n");
- else
- printf("father/n");
- }
- return 0;
- }
它的執(zhí)行結(jié)果是：
father
son
father
father
father
father
son
son
father
son
son
son
father
son
這里就不做詳細(xì)解釋了，只做一個(gè)大概的分析。
for i=0 1 2
father father father
son
son father
son
son father father
son
son father
son
其中每一行分別代表一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行打印結(jié)果。
總結(jié)一下規(guī)律，對(duì)于這種N次循環(huán)的情況，執(zhí)行printf函數(shù)的次數(shù)為2*(1+2+4+……+2N-1)次，創(chuàng)建的子進(jìn)程數(shù)為1+2+4+……+2N-1個(gè)。
(感謝gao_jiawei網(wǎng)友指出的錯(cuò)誤，原本我的結(jié)論是“執(zhí)行printf函數(shù)的次數(shù)為2*(1+2+4+……+2N)次，創(chuàng)建的子進(jìn)程數(shù)為1+2+4+……+2N ”，這是錯(cuò)的)
網(wǎng)上有人說(shuō)N次循環(huán)產(chǎn)生2*(1+2+4+……+2N)個(gè)進(jìn)程，這個(gè)說(shuō)法是不對(duì)的，希望大家需要注意。
同時(shí)，大家如果想測(cè)一下一個(gè)程序中到底創(chuàng)建了幾個(gè)子進(jìn)程，***的方法就是調(diào)用printf函數(shù)打印該進(jìn)程的pid，也即調(diào)用printf("%d/n",getpid());或者通過(guò)printf("+/n");
來(lái)判斷產(chǎn)生了幾個(gè)進(jìn)程。有人想通過(guò)調(diào)用printf("+");來(lái)統(tǒng)計(jì)創(chuàng)建了幾個(gè)進(jìn)程，這是不妥當(dāng)?shù)?。具體原因我來(lái)分析。
老規(guī)矩，大家看一下下面的代碼：
- [cpp] view plaincopy
- /*
- * fork_test.c
- * version 4
- * Created on: 2010-5-29
- * Author: wangth
- */
- #include <unistd.h>
- #include <stdio.h>
- int main() {
- pid_t fpid;//fpid表示fork函數(shù)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;
- }
執(zhí)行結(jié)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(yǔ)句printf("fork!/n");注釋掉，執(zhí)行printf("fork!");
則新的程序的執(zhí)行結(jié)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(qū)別就在于一個(gè)/n回車(chē)符號(hào)，為什么結(jié)果會(huì)相差這么大呢?
這就跟printf的緩沖機(jī)制有關(guān)了，printf某些內(nèi)容時(shí)，操作系統(tǒng)僅僅是把該內(nèi)容放到了stdout的緩沖隊(duì)列里了,并沒(méi)有實(shí)際的寫(xiě)到屏幕上。
但是,只要看到有/n 則會(huì)立即刷新stdout,因此就馬上能夠打印了。
運(yùn)行了printf("fork!")后,“fork!”僅僅被放到了緩沖里,程序運(yùn)行到fork時(shí)緩沖里面的“fork!” 被子進(jìn)程復(fù)制過(guò)去了。因此在子進(jìn)程度stdout
緩沖里面就也有了fork! 。所以,你最終看到的會(huì)是fork! 被printf了2次!!!!
而運(yùn)行printf("fork! /n")后,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子進(jìn)程里的stdout緩沖里不會(huì)有fork! 內(nèi)容。因此你看到的結(jié)果會(huì)是fork! 被printf了1次!!!!
所以說(shuō)printf("+");不能正確地反應(yīng)進(jìn)程的數(shù)量。
大家看了這么多可能有點(diǎn)疲倦吧，不過(guò)我還得貼***一份代碼來(lái)進(jìn)一步分析fork函數(shù)。
- [cpp] view plaincopy
- #include <stdio.h>
- #include <unistd.h>
- int main(int argc, char* argv[])
- {
- fork();
- fork() && fork() || fork();
- fork();
- return 0;
- }
問(wèn)題是不算main這個(gè)進(jìn)程自身，程序到底創(chuàng)建了多少個(gè)進(jìn)程。
為了解答這個(gè)問(wèn)題，我們先做一下弊，先用程序驗(yàn)證一下，到此有多少個(gè)進(jìn)程。
- [c-sharp] view plaincopy
- #include <stdio.h>
- int main(int argc, char* argv[])
- {
- fork();
- fork() && fork() || fork();
- fork();
- printf("+/n");
- }
答案是總共20個(gè)進(jìn)程，除去main進(jìn)程，還有19個(gè)進(jìn)程。
我們?cè)賮?lái)仔細(xì)分析一下，為什么是還有19個(gè)進(jìn)程。
***個(gè)fork和***一個(gè)fork肯定是會(huì)執(zhí)行的。
主要在中間3個(gè)fork上，可以畫(huà)一個(gè)圖進(jìn)行描述。
這里就需要注意&&和||運(yùn)算符。
A&&B，如果A=0，就沒(méi)有必要繼續(xù)執(zhí)行&&B了;A非0，就需要繼續(xù)執(zhí)行&&B。
A||B，如果A非0，就沒(méi)有必要繼續(xù)執(zhí)行||B了，A=0，就需要繼續(xù)執(zhí)行||B。
fork()對(duì)于父進(jìn)程和子進(jìn)程的返回值是不同的，按照上面的A&&B和A||B的分支進(jìn)行畫(huà)圖，可以得出5個(gè)分支。
加上前面的fork和***的fork，總共4*5=20個(gè)進(jìn)程，除去main主進(jìn)程，就是19個(gè)進(jìn)程了。
三、fork高階知識(shí)
這一塊我主要就fork函數(shù)講一下操作系統(tǒng)進(jìn)程的創(chuàng)建、死亡和調(diào)度等。因?yàn)闀r(shí)間和精力限制，我先寫(xiě)到這里，下次找個(gè)時(shí)間我爭(zhēng)取把剩下的內(nèi)容補(bǔ)齊。
