fork()使用详解

其他参考：linux中fork（）函数详解

一、fork入门知识

进程的定义：

进程是一个执行中的程序的实例，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

PCB是进程存在的唯一标识。PCB应常驻内存，不管在linux还是windows中都有专门区域存储每个进程的PCB。

进程的创建：

子进程可以继承父进程所拥有的所有资源，当子进程被撤销时，应将其从父进程那里获得的所有资源归还给父进程，在撤销父进时，也必须同时撤销其所有子进程。

进程的同步：

进程同步的主要任务是对多个相关进程早执行次序上进行协调，以使并发执行的诸进程之间能有效的共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

     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：
 

nclude <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
 
/*
* @brief main For the understanding of the fork()
*
* @param argc
* @param argv[]
*
* @return 在父进程中返回子进程的进程号;在子进程中返回0。
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t pid; 
    int cnt = 0;
 
    pid = fork();
 
    if (pid == -1) {
        perror("fork error");
        exit(1);
    } else if (pid == 0) {
        printf("The returned value is %d\nIn child process!!\nMy PID is %d\n",
        pid, getpid());
        cnt++;
    } else {
        printf("The returned value is %d\nIn father process!!\nMy PID is %d\n",
        pid, getpid());
        cnt++;
    }
    printf("cnt = %d\n", cnt);
 
    return 0;
}

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：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;
    printf("i\tson/pa\tppid\tpid\treturn\n");
    /*
     *ppid指当前进程的父进程pid 
     *pid指当前进程的pid, 
     *return指fork返回给当前进程的值 
     */
    for (i = 0; i < 2; i++) {
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0)
            printf("%d\tchild\t%d\t%d\t%4d\n", i, getppid(),
                   getpid(), pid);
        else
            printf("%d\tparent\t%d\t%d\t%d\n", i, getppid(),
                   getpid(), pid);
    }
    return 0;
}

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：
 

#include <unistd.h> 
    #include <stdio.h> 
    int main() { 
        pid_t pid;//pid表示fork函数返回的值 
        //printf("fork!"); 
        printf("fork!/n"); 
        pid = fork(); 
        if (pid < 0) 
            printf("error in fork!"); 
        else if (pid == 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，我们先做弊一下，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。