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     fork()函数详解 2012-03-27 12:40:53

    分类: LINUX

    一、fork入门知识



         一个进程,包括代码、数据和分配给进程的资源。fork()函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程,也就是两个进程可以做完全相同的事,但如果初始参数或者传入的变量不同,两个进程也可以做不同的事。

        一个进程调用fork()函数后,系统先给新的进程分配资源,例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中,只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。



         我们来看一个例子:


    点击(此处)折叠或打开

    1. #include <stdio.h>
    2. #include <unistd.h>
    3. #include <sys/types.h>
    4. #include <stdlib.h>

    5. /*
    6. * @brief main For the understanding of the fork()
    7. *
    8. * @param argc
    9. * @param argv[]
    10. *
    11. * @return 在父进程中返回子进程的进程号;在子进程中返回0。
    12. */
    13. int main(int argc, char *argv[])
    14. {
    15. pid_t pid; 
    16. int cnt = 0;

    17. pid = fork();

    18. if (pid == -1) {
    19. perror("fork error");
    20. exit(1);
    21. } else if (pid == 0) {
    22. printf("The returned value is %d\nIn child process!!\nMy PID is %d\n",
    23. pid, getpid());
    24. cnt++;
    25. } else {
    26. printf("The returned value is %d\nIn father process!!\nMy PID is %d\n",
    27. pid, getpid());
    28. cnt++;
    29. }
    30. printf("cnt = %d\n", cnt);

    31. return 0;
    32. }

    运行结果是:

         The returned value is 20473

         In father process!!

         My PID is 20472

         cnt = 1

         The returned value is 0

         In child process!!

         My PID is 20473

         cnt = 1



        在语句pid=fork()之前,只有一个进程在执行这段代码,但在这条语句之后,就变成两个进程在执行了,这两个进程的几乎完全相同,将要执行的下一条语句都是if(pid == -1)……

        为什么两个进程的pid不同呢,这与fork函数的特性有关。fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次,却能够返回两次,它可能有三种不同的返回值:

        1)在父进程中,fork返回新创建子进程的进程ID;

        2)在子进程中,fork返回0;

        3)如果出现错误,fork返回-1;



        在fork函数执行完毕后,如果创建新进程成功,则出现两个进程,一个是子进程,一个是父进程。在子进程中,fork函数返回0,在父进程中,fork返回新创建子进程的进程ID。我们可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。



        pid的值为什么在父子进程中不同。“其实就相当于链表,进程形成了链表,父进程的pid(p 意味point)指向子进程的进程id, 因为子进程没有子进程,所以其pid为0.



        fork出错可能有两种原因:

        1)当前的进程数已经达到了系统规定的上限,这时errno的值被设置为EAGAIN。

        2)系统内存不足,这时errno的值被设置为ENOMEM。

        创建新进程成功后,系统中出现两个基本完全相同的进程,子进程从父进程处继承了整个进程的地址空间,包括进程上下文、代码段、进程堆栈、内存信息、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制和控制终端, 父子进程不共享这些存储空间部分,父子进程共享正文段。这两个进程执行没有固定的先后顺序,哪个进程先执行要看系统的进程调度策略



        每个进程都有一个独特(互不相同)的进程标识符(process ID),可以通过getpid()函数获得,还有一个记录父进程pid的变量,可以通过getppid()函数获得变量的值。



      有人说两个进程的内容完全一样啊,怎么打印的结果不一样啊,那是因为判断条件的原因,上面列举的只是进程的代码和指令,还有变量啊。



        执行完fork后,进程1的变量为cnt=0,pid != 0(父进程)。进程2的变量为count=0,pid=0(子进程),这两个进程的变量都是独立的,存在不同的地址中,不是共用的,这点要注意。可以说,我们就是通过pid来识别和操作父子进程的。

        还有人可能疑惑为什么不是从#include处开始复制代码的,这是因为fork是把进程当前的情况拷贝一份,执行fork时,进程已经执行完了int cnt=0;fork只拷贝下一个要执行的代码到新的进程。



    二、fork进阶知识



        先看一份代码:

    点击(此处)折叠或打开

    1. #include <unistd.h>
    2. #include <stdio.h>

    3. int main(int argc, char *argv[])
    4. {
    5. int i = 0;
    6. printf("i\tson/pa\tppid\tpid\treturn\n");
    7. /*
    8. *ppid指当前进程的父进程pid 
    9. *pid指当前进程的pid, 
    10. *return指fork返回给当前进程的值 
    11. */
    12. for (= 0; i < 2; i++) {
    13. pid_t pid = fork();
    14. if (pid == 0)
    15. printf("%d\tchild\t%d\t%d\t%4d\n", i, getppid(),
    16. getpid(), pid);
    17. else
    18. printf("%d\tparent\t%d\t%d\t%d\n", i, getppid(),
    19. getpid(), pid);
    20. }
    21. return 0;
    22. }

    运行结果是:

        i     son/pa     ppid     pid      return

        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

        这份代码比较有意思,我们来认真分析一下:

        第一步:在父进程中,指令执行到for循环中,i=0,接着执行fork,fork执行完后,系统中出现两个进程,分别是p3224和p3225(后面我都用pxxxx表示进程id为xxxx的进程)。可以看到父进程p3224的父进程是p2043,子进程p3225的父进程正好是p3224。我们用一个链表来表示这个关系:

        p2043->p3224->p3225

        第一次fork后,p3224(父进程)的变量为i=0,pid=3225(fork函数在父进程中返向子进程id),代码内容为:

        for(i=0;i<2;i++){  

            pid_t pid=fork();//执行完毕,i=0,return=3225  

            if(pid==0)  

               printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  

            else  

               printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  

        }  

        return 0;  



        p3225(子进程)的变量为i=0,pid=0(fork函数在子进程中返回0),代码内容为:



        for(i=0;i<2;i++){  

            pid_t pid=fork();//执行完毕,i=0,return=0  

            if(pid==0)  

               printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  

            else  

               printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  

        }  

        return 0;  



        所以打印出结果:

        0 parent 2043 3224 3225

        0 child  3224 3225    0

        第二步:假设父进程p3224先执行,当进入下一个循环时,i=1,接着执行fork,系统中又新增一个进程p3226,对于此时的父进程,p2043->p3224(当前进程)->p3226(被创建的子进程)。

        对于子进程p3225,执行完第一次循环后,i=1,接着执行fork,系统中新增一个进程p3227,对于此进程,p3224->p3225(当前进程)->p3227(被创建的子进程)。从输出可以看到p3225原来是p3224的子进程,现在变成p3227的父进程。父子是相对的,这个大家应该容易理解。只要当前进程执行了fork,该进程就变成了父进程了,就打印出了parent。

        所以打印出结果是:

        1 parent 2043 3224 3226

        1 parent 3224 3225 3227 

        第三步:第二步创建了两个进程p3226,p3227,这两个进程执行完printf函数后就结束了,因为这两个进程无法进入第三次循环,无法fork,该执行return 0;了,其他进程也是如此。

        以下是p3226,p3227打印出的结果:

        1 child     1 3227    0

        1 child     1 3226    0

        细心的读者可能注意到p3226,p3227的父进程难道不该是p3224和p3225吗,怎么会是1呢?这里得讲到进程的创建和死亡的过程,在p3224和p3225执行完第二个循环后,main函数就该退出了,也即进程该死亡了,因为它已经做完所有事情了。p3224和p3225死亡后,p3226,p3227就没有父进程了,这在操作系统是不被允许的,所以p3226,p3227的父进程就被置为p1了,p1是永远不会死亡的,因为现在的父进程退出了,现在的子进程成为了孤儿进程,系统将它托孤到1号进程init进程,init进程是系统启动后的第一个执行的进程,因为进程的创建是由fork来实现的,所以init进程是所有进程的祖先进程

        总结一下,这个程序执行的流程如下:



     它的执行结果是:

        father

        son

        father

        father

        father

        father

        son

        son

        father

        son

        son

        son

        father

        son

        这里就不做详细解释了,只做一个大概的分析。

        for        i=0         1           2

                  father     father     father

                                            son

                                son       father

                                            son

                   son       father     father

                                            son

                                son       father

                                            son

        其中每一行分别代表一个进程的运行打印结果。

        总结一下规律,对于这种N次循环的情况,执行printf函数的次数为2*(1+2+4+……+2N-1)次,创建的子进程数为1+2+4+……+2N-1个。   

        数学推理见-->
    http://blog.chinaunix.net/uid-26495963-id-3150121.html

        同时,大家如果想测一下一个程序中到底创建了几个子进程,最好的方法就是调用printf函数打印该进程的pid,也即调用printf("%d\n",getpid());或者通过printf("+\n");来判断产生了几个进程。有人想通过调用printf("+");来统计创建了几个进程,这是不妥当的。具体原因我来分析。

        老规矩,大家看一下下面的代码:

      

    点击(此处)折叠或打开

    1. #include <unistd.h> 
    2. #include <stdio.h> 
    3. int main() { 
    4. pid_t pid;//pid表示fork函数返回的值 
    5. //printf("fork!"); 
    6. printf("fork!/n"); 
    7. pid = fork(); 
    8. if (pid < 0) 
    9. printf("error in fork!"); 
    10. else if (pid == 0) 
    11. printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid()); 
    12. else 
    13. printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid()); 
    14. return 0; 
    15. }

    执行结果如下:

        fork!

        I am the parent process, my process id is 3361

        I am the child process, my process id is 3362

        如果把语句printf("fork!\n");注释掉,执行printf("fork!");

        则新的程序的执行结果是:

        fork!I am the parent process, my process id is 3298

        fork!I am the child process, my process id is 3299

        程序的唯一的区别就在于一个\n回车符号,为什么结果会相差这么大呢?

        这就跟printf的缓冲机制有关了,printf某些内容时,操作系统仅仅是把该内容放到了stdout的缓冲队列里了,并没有实际的写到屏幕上。但是,只要看到有\n 则会立即刷新stdout,因此就马上能够打印了。

        运行了printf("fork!")后,“fork!”仅仅被放到了缓冲里,程序运行到fork时缓冲里面的“fork!”  被子进程复制过去了。因此在子进程度stdout缓冲里面就也有了fork! 。所以,你最终看到的会是fork!  被printf了2次!!!!

        而运行printf("fork!\n")后,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子进程里的stdout缓冲里不会有fork! 内容。因此你看到的结果会是fork! 被printf了1次!!!!

        所以说printf("+");不能正确地反应进程的数量。

        大家看了这么多可能有点疲倦吧,不过我还得贴最后一份代码来进一步分析fork函数。

        

    点击(此处)折叠或打开

    1. #include <stdio.h> 
    2. #include <unistd.h> 
    3. int main(int argc, char* argv[]) 
    4. { 
    5. fork(); 
    6. fork() && fork() || fork(); 
    7. fork(); 
    8. return 0; 
    9. }

    问题是不算main这个进程自身,程序到底创建了多少个进程。

        为了解答这个问题,我们先做弊一下,先用程序验证一下,到此有多少个进程。

        #include  

        int main(int argc, char* argv[])  

        {  

           fork();  

           fork() && fork() || fork();  

           fork();  

           printf("+/n");  

        }  



        答案是总共20个进程,除去main进程,还有19个进程。

        我们再来仔细分析一下,为什么是还有19个进程。

        第一个fork和最后一个fork肯定是会执行的。

        主要在中间3个fork上,可以画一个图进行描述。

        这里就需要注意&&和||运算符。

        A&&B,如果A=0,就没有必要继续执行&&B了;A非0,就需要继续执行&&B。

        A||B,如果A非0,就没有必要继续执行||B了,A=0,就需要继续执行||B。

        fork()对于父进程和子进程的返回值是不同的,按照上面的A&&B和A||B的分支进行画图,可以得出5个分支。



    加上前面的fork和最后的fork,总共4*5=20个进程,除去main主进程,就是19个进程了。


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