Linux 操作系统紧紧依赖进程创建来满足用户的需求。例如，只要用户输入一条命令，shell 进程就创建一个新进程，新进程运行 shell 的另一个拷贝并执行用户输入的命令。Linux 系统中通过 fork/vfork 系统调用来创建新进程。本文将介绍如何使用 fork/vfork 系统调用来创建新进程并使用 exec 族函数在新进程中执行任务。

fork 系统调用

要创建一个进程，最基本的系统调用是 fork：

# include <unistd.h>
pid_t fork(void);
pid_t vfork(void);

调用 fork 时，系统将创建一个与当前进程相同的新进程。通常将原有的进程称为父进程，把新创建的进程称为子进程。子进程是父进程的一个拷贝，子进程获得同父进程相同的数据，但是同父进程使用不同的数据段和堆栈段。子进程从父进程继承大多数的属性，但是也修改一些属性，下表对比了父子进程间的属性差异：

继承属性	差异
uid,gid,euid,egid	进程 ID
进程组 ID	父进程 ID
SESSION ID	子进程运行时间记录
所打开文件及文件的偏移量	父进程对文件的锁定
控制终端
设置用户 ID 和设置组 ID 标记位
根目录与当前目录
文件默认创建的权限掩码
可访问的内存区段
环境变量及其它资源分配

下面是一个常见的演示 fork 工作原理的 demo(笔者的环境为 Ubuntu 16.04 desktop)：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void)
{pid_t pid;char *message;int n;pid = fork();if(pid < 0){perror("fork failed");exit(1);}if(pid == 0){printf("This is the child process. My PID is: %d. My PPID is: %d.\n", getpid(), getppid());}else{printf("This is the parent process. My PID is %d.\n", getpid());}return 0;
}

把上面的代码保存到文件 forkdemo.c 文件中，并执行下面的命令编译：

$ gcc forkdemo.c -o forkdemo

然后运行编译出来的 forkdemo 程序：

$ ./forkdemo

fork 函数的特点是 "调用一次，返回两次"：在父进程中调用一次，在父进程和子进程中各返回一次。在父进程中返回时的返回值为子进程的 PID，而在子进程中返回时的返回值为 0，并且返回后都将执行 fork 函数调用之后的语句。如果 fork 函数调用失败，则返回值为 -1。
我们细想会发现，fork 函数的返回值设计还是很高明的。在子进程中 fork 函数返回 0，那么子进程仍然可以调用 getpid 函数得到自己的 PID，也可以调用 getppid 函数得到父进程 PID。在父进程中用 getpid 函数可以得到自己的 PID，如果想得到子进程的PID，唯一的办法就是把 fork 函数的返回值记录下来。
注意：执行 forkdemo 程序时的输出是会发生变化的，可能先打印父进程的信息，也可能先打印子进程的信息。

vfork 系统调用

vfork 系统调用和 fork 系统调用的功能基本相同。vfork 系统调用创建的进程共享其父进程的内存地址空间，但是并不完全复制父进程的数据段，而是和父进程共享其数据段。为了防止父进程重写子进程需要的数据，父进程会被 vfork 调用阻塞，直到子进程退出或执行一个新的程序。由于调用 vfork 函数时父进程被挂起，所以如果我们使用 vfork 函数替换 forkdemo 中的 fork 函数，那么执行程序时输出信息的顺序就不会变化了。

使用 vfork 创建的子进程一般会通过 exec 族函数执行新的程序。接下来让我们先了解下 exec 族函数。

exec 族函数

使用 fork/vfork 创建子进程后执行的是和父进程相同的程序（但有可能执行不同的代码分支），子进程往往需要调用一个 exec 族函数以执行另外一个程序。当进程调用 exec 族函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换，从新程序的起始处开始执行。调用 exec 族函数并不创建新进程，所以调用 exec 族函数前后该进程的 PID 并不改变。

exec 族函数一共有六个：

#include <unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

函数名字中带字母 "l" 的表示其参数个数不确定，带字母 "v" 的表示使用字符串数组指针 argv 指向参数列表。
函数名字中含有字母 "p" 的表示可以自动在环境变量 PATH 指定的路径中搜索要执行的程序。
函数名字中含有字母 "e" 的函数比其它函数多一个参数 envp。该参数是字符串数组指针，用于指定环境变量。调用这样的函数时，可以由用户自行设定子进程的环境变量，存放在参数 envp 所指向的字符串数组中。

事实上，只有 execve 是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用 execve。这些函数之间的关系如下图所示(此图来自互联网)：

exec 族函数的特征：调用 exec 族函数会把新的程序装载到当前进程中。在调用过 exec 族函数后，进程中执行的代码就与之前完全不同了，所以 exec 函数调用之后的代码是不会被执行的。

在子进程中执行任务

下面让我们通过 vfork 和 execve 函数实现在子进程中执行 ls 命令：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{pid_t pid;if((pid=vfork()) < 0){printf("vfork error!\n");exit(1);}else if(pid==0){printf("Child process PID: %d.\n", getpid());char *argv[ ]={"ls", "-al", "/home", NULL};  char *envp[ ]={"PATH=/bin", NULL};if(execve("/bin/ls", argv, envp) < 0){printf("subprocess error");exit(1);}// 子进程要么从 ls 命令中退出，要么从上面的 exit(1) 语句退出// 所以代码的执行路径永远也走不到这里，下面的 printf 语句不会被执行printf("You should never see this message.");}else{printf("Parent process PID: %d.\n", getpid());sleep(1);}return 0;
}

把上面的代码保存到文件 subprocessdemo.c 文件中，并执行下面的命令编译：

$ gcc subprocessdemo.c -o subprocessdemo

然后运行编译出来的 subprocessdemo程序：

$ ./subprocessdemo

总结

fork/vfork 函数和 exec 族函数都是 Linux 系统中非常重要的概念。本文试图通过简单的 demo 来演示这些函数的基本用法，为理解 Linux 系统中父进程与子进程的概念提供一些直观的感受。

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