【Linux】fork函数详解|多进程

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已于 2024-06-17 12:56:15 修改

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分类专栏：【操作系统】文章标签： linux 服务器多进程操作系统 c语言面试笔试

于 2024-06-16 11:55:03 首次发布

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fork() 函数用于创建一个新的进程，该进程称为子进程。原有的进程称为父进程。子进程是父进程的副本，但是它们有不同的进程ID（PID）。

返回值：

在父进程中，fork() 返回子进程的PID。
在子进程中，fork() 返回0。
如果出现错误，fork() 返回一个负值。

我们写一段demo程序，发现会输出两次Running。fork() 函数被调用一次，导致当前进程（父进程）被复制出一个新的进程（子进程）。子进程会复制父进程的地址空间、寄存器状态，包括父进程的输出缓冲区。因此，父进程和子进程都会继续执行接下来的代码。

这就是为什么会有两次 "Running...." 的输出。一次来自父进程，另一次来自子进程。

如何避免这种现象？

由于fork函数在父进程和子进程都有返回值，如果进程创建成功，那么fork在父进程返回的是子进程的PID，在子进程返回的是0，所以我们可以通过fork返回值来确定是父进程工作区还是子进程工作

在实际开发中，有一个严格的规定，子进程只能在子进程工作区执行代码，不允许踏出自己的工作区。执行完自己的代码块通过exit()结束进程

init进程

默认情况下所有进程都有父进程，除了init进程，init是系统启动初始化首个服务进程，所有系统下的进程都是它的子集

关于父子进程一起执行fork函数

fork函数调用之后，分为多个过程。

先调用_CREATE函数，创建子进程，但是这个子进程的内存空间是空的，所以接下来调用_CLONE函数。

_CLONE函数将父进程的所有内存空间（包括代码段、数据段、堆、栈等）、寄存器状态、文件描述符等克隆给子进程。

执行完克隆操作后，会有第一个返回值，返回给父进程创建的子进程的PID。

之后的操作由子进程进行，数据清理、回收等工作。等所有操作完成后，函数返回0，这也就是为什么fork函数针对父子进程有不同的返回值

父子进程可以共享fork函数栈帧，一人执行函数的一部分，得到两个不同的返回值，便于区分父子进程任务。

多进程创建的模版

通过循环调用fork() 创建多进程（一父多子）。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>

int main()
{
    pid_t pid;
    int i;
    for (i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pid = fork();
        if (pid == 0)
            break; // 每次创建完一个子进程后，我们让它退出循环
    }
    if (pid > 0)
    { // 父进程工作区
        printf("Parent PID: %d\n",i);
    }
    else if (pid == 0) // 子进程工作区
    {
        if (i == 0)
        {
            printf("Child PID: %d  游泳\n", i);
            while(1); 
        }else if(i==1){
            printf("Child PID: %d  跑步\n", i);
            while(1);
        }
        printf("Child PID: %d\n", i);
        exit(0); // 子进程执行完工作区代码后必须结束进程
    }
    else
    {
        perror("fork call failed");
        exit(0);
    }
    return 0;
}

通过循环创建多个子进程。每次调用 fork() 后，会得到不同的PID

在父进程中，fork() 返回新创建子进程的PID。
在子进程中，fork() 返回0。

根据PID来区分是自己还是子进程，并输出相应的信息。

父子进程的继承与拷贝

_CREATE为子进程申请虚拟地址。

_CLONE对父进程的PCB进程控制块进行部分拷贝到子进程的PCB。但是用户空间并不是简单的拷贝。

随着fork函数的迭代，对用户空间的拷贝操作也发生了变化。

第一版FORK

父进程创建子进程后，将所有的用户层资源拷贝给子进程

缺点：如果子进程不需要拷贝继承用户层数据，父进程进行了拷贝，这些拷贝开销对子进程没有任何意义，无意义系统开销

第二版vfork

vfork 是 fork 的一个变体。vfork 的设计目标是提高性能，vfork需要与exec结合使用。通过共享地址空间来避免第一代fork 的开销。

通过vfork创建的子进程是没有0-3G用户层数据的，需要使用者自行准备加载进程0-3G之和才可以使用。

第三版fork

第三版fork（现在所使用的fork）会为子进程的0-3G内存会申请一块映射内存，映射父进程的用户层数据，来进行读取访问父进程的用户空间（读时共享）。在需要修改数据时，会将父进程的数据复制到子进程，对复制的数据进行修改（写时复制）。

读时共享，写时复制

写复制机制对父子进程都有效，父进程修改映射数据也要进行复制操作。

关于多次执行fork，进程创建数量

有一个父进程，连续调用n次fork函数，那么这个过程一共创建了多少子进程？

答：2n-1个。创建出来的子进程执行当前fork后的函数体代码。

如果是下面这种情况呢？

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

fork的返回值是有0的，所以这种情况下需要考虑返回值。

初始状态：

P0 表示初始的父进程。

第一步：`fork();`

P0 调用 fork() 创建一个新的子进程 P1。

现在有两个进程：P0 和 P1。

第二步：`fork() && fork() || fork();`

P0 和 P1 分别执行这行代码。

1、第一个 fork()：

P0 和 P1 各自调用 fork()，每个进程创建一个新子进程。

新进程分别是 P2 和 P3。

现在有 4 个进程：P0, P1, P2, P3。

2、第二个 fork()（在 && 之后）：

只有在前一个 fork() 返回非零值时才会执行（即在父进程中执行）。

这意味着 P0 和 P1 将各自再执行一次 fork()。

新进程分别是 P4 和 P5。

现在有 6 个进程：P0, P1, P2, P3, P4, P5。

3、第三个 fork()（在 || 之后）：

只有当 fork() && fork() 结果为假时才会执行（即在没有新进程的情况下执行）。

现有的 4 个进程 P2, P3, P4, P5 将执行 fork()。

新进程分别是 P6, P7, P8, P9。

现在有 10 个进程：P0, P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9。