进程篇—fork与vfork的恩恩怨怨

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本文对比分析了vfork与fork函数的功能与使用场景，详细解释了两者在进程创建时的不同之处，包括地址空间共享与复制的特点，以及如何正确地使用这些函数避免程序出现异常。

进程篇—fork与vfork的恩恩怨怨

标签：fork； vfork；vfork与fork区别

一、vfork函数
头文件：#include

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int a=5;
  5 int main()
  6 {
  7     pid_t pid=vfork();
  8     if(pid < 0)
  9     {
 10         printf("error\n");
 11     }
 12     else if(pid==0)
 13     {
 14         a++;
 15         printf("I am children,process is %d,a=%d\n",getpid(),a);
 16     }
 17     else
 18     {
 19         printf("I am father,process is %d,a=%d\n",getppid(),a);
 20     }
 21     return 0;                                                                
 22 }
~

结果：

I am children,process is 2950,a=6
I am father,process is 2829,a=6
段错误 (核心已转储)

出现了段错误，这是怎么回事？通过查资料以及分析可知：
结束子进程的调用是exit()而不是return，如果你在vfork中return了，那么，这就意味main()函数return了，注意因为函数栈父子进程共享，所以整个程序的栈就废了。
修改后程序：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int a=5;
  5 int main()
  6 {
  7     pid_t pid=vfork();
  8     if(pid < 0)
  9     {
 10         printf("error\n");
 11     }
 12     else if(pid==0)
 13     {
 14         a++;
 15         printf("I am children,process is %d,a=%d\n",getpid(),a);
 16     }
 17     else
 18     {
 19         printf("I am father,process is %d,a=%d\n",getppid(),a);
 20     }
 21     exit(0);                                                                
 22 }

结果：

I am children,process is 3912,a=6
I am father,process is 2829,a=6

接下来，我们来看看他们之间的
区别：
1. fork的返回值
2. 进程ID不同
3. 具有不同的父进程ID
4. 子进程的tms_utime、tms_stime、tms_cutime及tms_ustime均被设置为0
5. 父进程设置的文件锁不会被子进程继承
6. 子进程的未处理闹钟被清除
7. 子进程的未处理信号集被设置为空集 fork有下面两种用法：
（1）一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。如：父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
（2）一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。
fork调用失败的原因： 1. 系统中有太多的进程 2. 实际用户的进程数超过了限制

3、fork()函数
vfork（）函数用来创建一个新进程，而这个新进程的目的是exec一个新程序。它不会把父进程的地址空间复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec函数。
在子进程调用exec或exit之前，它在父进程的空间中运行，也就是说会更改父进程的数据段、栈和堆。vfork和fork另一区别在于：vfork保证子进程先运行，在它调用exec或（exit）之后父进程才可能被调度运行。

三、fork和vfork的区别
1、fork特点：
fork创建进程时，子进程完全复制父进程的资源，子进程独立于进程，具有良好的并发性，二者之间需要专门的通信机制。
如果某进程fork出一个子进程只是为了调用exec执行另一个文件，那fork过程对于虚拟地址空间的复制是多余的过程。
fork优点：父子进程相互独立，子进程对父进程中同名变量进行修改并不会影响其在父进程中的值。

2、vfork特点：
vfork创建的子进程与父进程共享地址空间，即子进程完全运行在父进程的地址空间上，子进程对虚拟地址空间的修改同样为父进程所见，用vfork创建子进程后，父进程会被阻塞到子进程调用exec或exit。
vfork避免了（fork函数子进程被创建后，仅仅为调用exec执行另一个程序，它对地址空间的复制是多余的）这个问题，减少了不必要的开销。

vfork保证子进程先运行，它调用exec或exit后父进程才能调度运行，fork的父子进程运行顺序不定，取决于内核的调度算法。

父进程中的数据空间和堆、栈可能会产生副本，具体情况要看使用的是fork还是vfork，fork产生副本，vfork则共享这部分内存。

附录这么几个问题：

1 为什么需要vfork
上面提到了fork与exec配合使用的情况有一个缺点：效率有点低。
fork会复制一份独立的数据段与堆栈，而exec的调用会产生新的数据段与堆栈。这种情况下，前面复制数据段与代码段的行为就没什么意义了。而复制又很浪费时间与空间。为了提高效率，产生了vfork。vfork不会复制数据段与堆栈，它产生的子进程会使用父进程的数据段与代码段。因此用vfork代替fork，从效率上看很划算。

vfork的缺点
vfork带来效率提升的同时，也引入了一些麻烦。首先是数据段与堆栈的共享。父子进程可能互相影响。为了降低风险，vfork调用后父进程会阻塞到子进程exec被调用。这样能够避免父进程影响子进程。而子进程对父进程的影响则要靠程序员自己控制。
因为共享，子进程对堆栈与数据段的任何改动都会对父进程产生同样影响。所以调用vfork后，要尽快调用exec，以降低风险。vfork与exec之间的操作也要小心的设计。
另外，vfork结束时必须调用exit，否则会导致父进程的异常，原因似乎是堆栈被改写了。
互相影响的风险非常之大，所以能不用vfork，尽量不要用。

3.fork真的比vfork效率低吗
实际上，fork并不会立刻复制数据段与堆栈。而是在它们发生修改时才会复制，而且通过MMU的使用，每次复制只会复制4K。通过写时拷贝的方式，fork极大的提升了效率，而且安全性更高。

vfork难道没用了吗
个人觉得vfork还是有用的，但最好能对 vfork+exec 的使用加以限制。
很多操作系统提供了Spawn的操作，这个类似于vfork+exec，但通过吧两个接口封装成一个函数的方式，有效的避免了子进程改写父进程的风险。所以在系统设计时，可以先考虑提供一组vfork加exec的封装。