Linux：fork是什么、使用方法、缓冲区问题、frok使用实例

文章目录

一、fork是什么及使用方法
二、fork使用实例及过程解析
三、缓冲区问题
四、fork使用实例
- 实例1：或的情况
- 实例2：与的情况
- 实例3：循环嵌套中加了\n(没有if情况)
- 实例4：循环嵌套中没有加\n(没有if情况)
- 实例5：循环嵌套中加了\n(有if情况) 3A3B
- 实例6：循环嵌套中没有加\n(有if情况) 4A4B
- 实例7：缓冲区问题

一、fork是什么及使用方法

fork是什么：fork为创建进程的系统调用函数，用于创建一个新进程，称为子进程，它与进程（称为系统调用fork的进程）同时运行，此进程称为父进程。创建新的子进程后，两个进程将执行fork（）系统调用之后的下一条指令。子进程使用相同的pc（程序计数器），相同的CPU寄存器，在父进程中使用的相同打开文件。

       fork作用： 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。

       fork函数原型：pid_t fork( void);（pid_t 是一个宏定义，其实质是int 被定义在#include<sys/types.h>中）

调用fork()函数需要包含的头文件：
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>

二、fork使用实例及过程解析

fork使用实例：
如图所示：为一个使用fork来创建一个子进程的简单代码(本博客上所示代码均在红帽企业版Linux 6.3版本上操作)

那么在这段简单代码使用过程中发生了什么？
①在语句pid_t pid = fork();之前，只有一父进程在执行这段代码。printf输出：hahaha该字符串。
②但在执行到pid_t pid = fork();时，我们之前提到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，相当于克隆了一个自己，两个进程同时在执行。一个为子进程，另一个为父进程。
③父进程fork返回新创建子进程的进程ID，一般为非0值，因此在if判断语句中，输出world。
④子进程fork返回0，在if判断语句中，输出hello。
其过程如图所示：

因此，最后结果输出如图：

三、缓冲区问题

学习这几个实例之前，我们还需要清楚一个东西，那就是缓冲区的问题。
缓冲区：这个缓冲区既不是内核中的缓冲区,也不是用户分配的缓冲区,而是有编译器维护的用户进程空间中的缓冲区。分为全缓冲(大部分缓冲都是这类型)、行缓冲、无缓冲。
全缓冲：全缓冲指的是系统在填满标准IO缓冲区之后才进行实际的IO操作；注意，对于驻留在磁盘上的文件来说通常是由标准IO库实施全缓冲。
行缓冲：在这种情况下，标准IO在输入和输出中遇到换行符时执行IO操作；注意，当流涉及终端的时候，通常使用的是行缓冲。
无缓冲：无缓冲指的是标准IO库不对字符进行缓冲存储；注意，标准出错流stderr通常是无缓冲的
printf默认是行缓冲，没有遇到换行符所以内容没有被冲出来。所以我们会是先延迟才打印。flush(stdout) 和\n 效果相同。

为什么要了解它，它有什么用？
因为在Linux中存在着缓冲区的问题。当我们使用printf函数时，如果没有换行的话，它是不会输出的，而是先将要输出的内容存放再缓冲区中，当碰到换行时，将缓冲区中的内容再一起输出所以fork后子进程会复制父进程的缓冲区，因此也将待输出内容复制到自己“与父进程独立的缓冲区中”，因此当子进程执行遇到换行，就将缓冲区中的内容全都输出来。
下面是一个使用过程中的对比：
1.使用printf时没有加\n,如图：

我们来看看结果：

打印结果为两行：helloworld。因为printf不加\n是有输出缓冲区的，不使用\n时，数据不刷新。fork()创建子进程时，复制了父进程的数据段和堆栈段，包括上面的缓冲区，再执行后面的printf ，直到子进程结束输出打印，就打印了两遍hello world。

2.使用printf时添加\n,这次我们在hello的后面加上了world，如图：

我们来看看结果：

根据我们前面了解到：使用换行符\n后，会刷新我们的缓冲区，在执行到第一个printf时，会将hello输出，缓冲区数据被清洗。执行到fork时，fork从该处复制一个与父进程完成相同的子进程且前面的代码不会执行，父子进程都再执行最后一个printf，输出2个world。所以输出了1个hello，2个world。

四、fork使用实例

实例1：或的情况

int main()
{fork() || fork();printf("A\n");exit(0);
}

这段代码的输出结果为什么呢？
①首先我们来看，这段代码里有一个逻辑判断语句：||
对于A||B这种情况：
A为1时，就不需要再判断B，则表达式值为1;
A为0时，需要再判断B，如果B为1，则表达式值为0;
②明白了逻辑判断，我们来看：前面我们提到fork再子进程中会返回0，父进程中返回非0的子进程pid，因此程序在执行正确的情况下，当执行第一个fork时，产生进程1：父进程，它返回非0的子进程的pid，非0为真，不再继续判断；此时，由第一个fork产生了另外进程2：子进程，该进程返回0，需要再次执行第二个fork，于是产生进程3，所以输出3了次A。
打印结果为：AAA
测试结果如图所示：

为了更清楚看到执行过程，我们也可以可以采用一颗树来表示：

实例2：与的情况

int main()
{if(fork() && fork()){printf("A\n");}else{printf("B\n");}exit(0);
}

同理：这段代码里有一个逻辑判断语句：&&；对于A&&B这种情况：
A为1时，继续判断B，如果都为1，则表达式为1，否则为0;
A为0时，不在判断B，表达式为0;
其过程如图所示：
①父进程执行到fork时，产生一个子进程1，返回子进程1的pid(非0)为真；
②父进程继续执行第二个fork产生子进程2，返回子进程2的pid(非0)为真；因此，父进程中2个fork都为真，输出一个A。
③子进程1第一次调用fork后开始，它的fork()返回值为0，因此为假，子进程1输出一个B。
④子进程2第一次调用fork返回值也为0，因此为假，子进程输出一个B。
打印结果为：ABB

测试结果如图所示：

实例3：循环嵌套中加了\n(没有if情况)

int main()
{int i = 0;for (; i < 2; i++){fork();printf("A\n");}exit(0);
}

如图所示：
父进程会输出2个中划线（总计：2个）
①进程1会输出2个自己的A，无主进程缓冲区拷贝输出（总计：2个）
②进程2会输出1个自己的A，无主进程缓冲区拷贝输出（总计：1个）
③进程3会输出1个自己的A，无first进程缓冲区拷贝输出（总计：1个）
打印结果为：6个A。

测试结果如图所示：

实例4：循环嵌套中没有加\n(没有if情况)

int main()
{int i = 0;for (; i < 2; i++){fork();printf("A");}exit(0);
}

①父进程会输出2个中划线（总计：2个）
②进程1会输出2个自己的A，无主进程缓冲区拷贝输出（总计：2个）
③进程2会输出1个自己的A，考虑到注意要点2，会输出从父进程缓冲区拷贝过来的1个A（总计：2个）
④进程3会输出1个自己的A，考虑到注意要点2，会输出从进程1缓冲区拷贝过来的1个A （总计：2个）
打印结果为：8个A。

测试结果如图所示：

实例5：循环嵌套中加了\n(有if情况) 3A3B

int main()
{int i = 0;for (; i < 2; i++){if (fork()){printf("A\n");}else{printf("B\n");}}exit(0);
}

①i=0时，第一次调用fork生成子进程1，打印"B";此时生成的子进程和第一个父进程各自运行;i=1时，第二次调用fork，生成子进程2，打印"B",i=2程序退出。
②子进程1状态和父进程创建时一样为i=0,它的返回值是0为假，打印"A";子进程1继续运行，创建子进程3。相对于子进程3时子进程1为父进程，返回值为非0，为真打印"B",i=2时循环结束。
③子进程3为子进程1创建的子程序，与子进程1状态一致为i=1时，fork返回值为0，打印"A",i=2时循环结束。
④子进程2为父进程第二次调用fork时，生成的第二个子进程，状态和父进程一致为i=1时。返回值为0，打印"A"。i=2时循环结束。
打印结果为：3A3B(由于不同系统环境和进程调度算法顺序可能不一样)
其过程如图所示：

测试结果如图所示：

实例6：循环嵌套中没有加\n(有if情况) 4A4B

int main()
{int i = 0;for (; i < 2; i++){if (fork()){printf("A");}else{printf("B");}}exit(0);
}

结果存储在缓冲区，只有当缓冲区遇到\n才会将结果显示在界面上，否则就等程序运行结束或缓冲区满再显示到界面上。与实例4同理，会存在缓冲区，因此会有拷贝情况。
最后打印出来4A4B(顺序可能不一定)。

实例7：缓冲区问题

int main()
{printf("A");write(1, "B", 1);fork();exit(0);
}

①执行到printf时，printf()为库函数，没有\n时printf执行以后的A被放入缓冲区中，不能直接打到屏幕上。
②write为系统调用，代码中write往1上面写，而1是一个文件描述符：标准输出屏幕，因此B直接被打到屏幕上。
③再执行到fork，由于前面printf中无\n被放入缓冲区中，因此执行fork时，父进程的A会在子进程中再被打印一次。程序结束时，打印两个A，一个为父进程被放入缓冲区的A，一个为子进程从缓冲区fork来的A。所以，打印出来BAA。
测试结果如图所示：

参考链接：
关于fork()||fork();
操作系统—fork函数解析与例题详解