fork函数详解

深藏阁楼爱情的钟 2023-01-09 15:34 182阅读 0赞

## 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。

/* 
     *  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函数返回的值  
        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("我是爹的儿子/n");//对某些人来说中文看着更直白。  
            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("统计结果是: %d/n",count);  
        return 0;  
    }

运行结果是：

i am the child process, my process id is 5574
    我是爹的儿子
    统计结果是: 1
    i am the parent process, my process id is 5573
    我是孩子他爹
    统计结果是: 1

在语句`fpid=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(fpid<0)……`  
为什么两个进程的`fpid`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`返回一个负值；

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。

引用一位网友的话来解释fpid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fpid(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fpid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，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。

`fork`执行完毕后，出现两个进程，

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`count=0，fpid！=0`（父进程）。进程`2`的变量为`count=0，fpid=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`fpid`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 count=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 ##

/* 
     *  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指当前进程的父进程pid  
       //pid指当前进程的pid,  
       //fpid指fork返回给当前进程的值  
       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;  
    }

运行结果是：

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

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，fpid=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 fpid=fork();//执行完毕，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;  
    for(i=0;i<2;i++){       pid_t fpid=fork();//执行完毕，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`（子进程）的变量为`i=0，fpid=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 fpid=fork();//执行完毕，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;  
    for(i=0;i<2;i++){       pid_t fpid=fork();//执行完毕，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，至于为什么，这里先不介绍，留到“三、fork高阶知识”讲。

总结一下，这个程序执行的流程如下：

这个程序最终产生了`3`个子进程，执行过`6`次`printf（）`函数。  
我们再来看一份代码：

/* 
     *  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。  
![在这里插入图片描述][20210121210037473.png]  
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）`次，创建的子进程数为`1+2+4+……+2N`个。

网上有人说N次循环产生`2*（1+2+4+……+2N）`个进程，这个说法是不对的，希望大家需要注意。

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：

/* 
     *  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函数返回的值  
        //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;  
    }

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。

#include <stdio.h>  
    #include <unistd.h>  
    int main(int argc, char* argv[])  
    {  
       fork();  
       fork() && fork() || fork();  
       fork();  
       return 0;  
    }

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，我们先做一下弊，先用程序验证一下，到此有多少个进程。

#include <stdio.h>  
    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。

[20210121210037473.png]: /images/20221119/957b5a6ef9874255934923607d2363d2.png