linux中fork（）函數詳解

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（）函數後，系統先給新的進程分配資源，例如存儲數據和代碼的空間。然後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。相當於克隆了一個自己。   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_t fpid; //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; 
} 
　　

 

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，但在這條語句之後，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)…… 為什麼兩個進程的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函數執行完畢後，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的值為什麼在父子進程中不同。“其實就相當於鏈表，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。   創建新進程成功後，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後順序，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執行完畢後，出現兩個進程，   有人說兩個進程的內容完全一樣啊，怎麼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後，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麼不是從#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_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; 
} 
　　

 

 運行結果是： i son/pa ppid pid  fpid 0 parent 2043 3224 3225 0 child  3224 32250 1 parent 2043 3224 3226 1 parent 3224 3225 3227 1 child1 32270 1 child1 32260      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執行完後，系統中出現兩個進程，分別是p3224和p3225   （後面我都用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後，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_t fpid=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_t fpid=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 32250 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，對於此時的父進程，   p2043->p3224（當前進程）->p3226（被創建的子進程）。 對於子進程p3225，執行完第一次循環後，i=1，接著執行fork，系統中新增一個進程p3227，對於此進程，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函數後就結束了，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 child1 32270 1 child1 32260    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，怎麼會是1呢？這裡得講到進程的創建和死亡的過程，   在p3224和p3225執行完第二個循環後，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死亡後，   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，至於為什麼，   這裡先不介紹，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_t fpid=fork(); 
  if(fpid==0) 
 printf("son/n"); 
  else 
 printf("father/n"); 
   } 
   return 0; 
   
} 

它的執行結果是： father son father father father father son son father son son son father son 這裡就不做詳細解釋了，只做一個大概的分析。 for   i=01 2 fatherfatherfather son    son  father son son  fatherfather son    son  father son 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，對於這種N次循環的情況，執行printf函數的次數為2*（1+2+4+……+2N-1）次，創建的子進程數為1+2+4+……+2N-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+……+2N）次，創建的子進程數為1+2+4+……+2N ”，這是錯的) 網上有人說N次循環產生2*（1+2+4+……+2N）個進程，這個說法是不對的，希望大家需要注意。   數學推理見http://202.117.3.13/wordpress/?p=81（該博文的最後）。 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_t fpid;//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; 
} 
　　

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於一個/n回車符號，為什麼結果會相差這麼大呢？   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的緩沖隊列裡了,並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!")後,“fork!”僅僅被放到了緩沖裡,程序運行到fork時緩沖裡面的“fork!”  被子進程復制過去了。因此在子進程度stdout   緩沖裡面就也有了fork! 。所以,你最終看到的會是fork!  被printf了2次！！！！ 而運行printf("fork! /n")後,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之後fork到的子進程裡的stdout緩沖裡不會有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。   大家看了這麼多可能有點疲倦吧，不過我還得貼最後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; 
} 

  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"); 
} 　　

  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，為什麼是還有19個進程。   第一個fork和最後一個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。   這裡就需要注意&&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()對於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和最後的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。因為時間和精力限制，我先寫到這裡，下次找個時間我爭取把剩下的內容補齊。