《unix高级环境编程》进程控制——创建进程

本文详细解析了UNIX系统中用于创建进程的fork和vfork函数的功能、返回值、执行顺序及实例应用，揭示了两者在数据独立性、执行顺序上的差异。

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UNIX 中进程创建有两个函数分别是 fork 和 vfork 函数，下面对这两个函数进行分析。

fork 函数

在 UNIX 系统中，一个现有进程可以调用 fork 函数创建一个新进程。调用 fork 函数的进程称为父进程，由 fork 创建的新进程被称为子进程（child process）。fork函数被调用一次但返回两次，两次返回的唯一区别是子进程中返回0值而父进程中返回子进程ID。首先看下fork函数的原型；

/* 创建进程 */

/* fork 函数 */
/*
 * 函数功能：创建一个新的进程；
 * 返回值：
 * （1）在父进程中，返回新创建子进程的进程ID；
 * （2）在子进程中，返回0；
 * （3）若出错，则返回-1；
 * 函数原型：
 */
#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

fork 函数调用一次，返回两个值，在父进程中，返回新建子进程的进程ID，因为一个父进程可能有多个子进程，没有获取子进程ID的函数，所以返回子进程的进程ID；在子进程中，返回0，因为子进程的父进程ID可以通过函数 getppid 获取；子进程是父进程的副本，它将获得父进程数据空间、堆、栈等资源的副本（UNIX 系统是采用写时复制），意味着父子进程间不共享这些存储空间。UNIX将复制父进程的地址空间内容给子进程，因此，子进程有了独立的地址空间。fork 之后父进程和子进程的执行顺序是不确定的，根据内核所使用的进程调度算法来执行。

下面先看一个比较简单的例子：

#include "apue.h"
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int count = 0;

    pid = fork();//创建一个子进程；

    if(pid < 0)
    {
        err_sys("Created child process error.\n");
        exit(-1);
    }
    else if(0 == pid)//在子进程中，返回0
    {
        printf("I am back in the child process, my ID: %d and my parent ID: %d\n",getpid(),getppid());
        printf("the count is: %d\n",++count);
    }
    else //在父进程中，返回新建子进程的ID
    {
        printf("I am back in the parent process, my ID: %d and my parent ID: %d\n",pid,getpid());
        printf("the count is: %d\n",++count);
    }
    exit(1);
}

输出结果：

I am back in the parent process, my ID: 10684 and my parent ID: 10683
the count is: 1
I am back in the child process, my ID: 10684 and my parent ID: 10683
the count is: 1

从输出结果我们可以知道，调用一次fork函数，会返回两次，根据程序的输出，返回之后是先执行父进程，在父进程中，返回值是新建子进程的进程ID，所以此时pid的值即为新建子进程的进程ID，count的值增加1；当父进程结束后，调用子进程，在子进程中返回值是 pid=0，所以想要获取新建子进程的进程ID需要使用 getpid函数（相当于获取当前进程的进程ID），注意：count的值依然为1，因为父进程和子进程的数据空间是独立的，所以父子进程的数据不相互共享，count的初始值都还是0；

接着看第二个例子：

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include "apue.h"
int main(void)
{
    pid_t pid;
    int count = 0;
    printf("before fork,enter\n");

    printf("before fork,no enter:pid=%d",getpid());
    pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
        err_sys("Created child process error.\n");
        exit(-1);
    }
    else if(0 == pid)//在子进程中，返回0
    {
        printf("\n");
        printf("I am back in the child process, my ID: %d and my parent ID: %d\n",getpid(),getppid());
        printf("the count is: %d\n",++count);
        printf("\n");
    }
    else //在父进程中，返回新建子进程的ID
    {
        printf("\n");
        printf("I am back in the parent process, my ID: %d and my parent ID: %d\n",pid,getpid());
        printf("the count is: %d\n",++count);
        printf("\n");
    }
    exit(1);
}

输出结果：

before fork,enter
before fork,no enter:pid=11384
I am back in the parent process, my ID: 11385 and my parent ID: 11384
the count is: 1

before fork,no enter:pid=11384
I am back in the child process, my ID: 11385 and my parent ID: 11384
the count is: 1

从结果可以看到，有换行符的 printf 语句输出一次，就是说只在一个进程中输出；

 printf("before fork,enter\n");

没有换行符的 printf 语句输出二次，就是说在每一个进程都输出，这里只有两个进程，所以输出两次，多个进程会输出多次；

 printf("before fork,no enter:pid=%d",getpid());

出现以上 printf 输出不同的原因很简单，因为 printf 是把数据存储在缓冲区中，在缓冲队列等待输出，若遇到换行符或者刷新缓冲区时，会直接打印到屏幕。所以第一个语句带有换行符时是直接把数据打印到屏幕，不在缓冲队列等待输出，因此，子进程复制父进程的数据段时，stdout输出缓冲区并不存在数据，则只在父进程输出一次；没有换行符的 printf 函数把数据保存在缓冲区队列中，子进程把该数据复制，因此，父、子进程各自输出一次。

vfork 函数

vfork 函数也是在现有的进程上创建子进程，基本操作和fork 函数类似，与 fork 的区别如下：

fork 的子进程的数据是复制父进程的数据，即数据独立；
vfork 的子进程和父进程共享数据；
fork 子进程和父进程的执行顺序根据内核进程调度算法决定；
vfork 的执行顺序是，先执行子进程，再执行父进程；

例如例子1使用 vfork 创建子进程时，输出结果跟上面的不一样；

#include "apue.h"
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int count = 0;

    pid = vfork();//创建一个子进程；

    if(pid < 0)
    {
        err_sys("Created child process error.\n");
        exit(-1);
    }
    else if(0 == pid)//在子进程中，返回0
    {
        printf("I am back in the child process, my ID: %d and my parent ID: %d\n",getpid(),getppid());
        printf("the count is: %d\n",++count);
    }
    else //在父进程中，返回新建子进程的ID
    {
        printf("I am back in the parent process, my ID: %d and my parent ID: %d\n",pid,getpid());
        printf("the count is: %d\n",++count);
    }
    exit(1);
}

输出结果：

I am back in the child process, my ID: 12171 and my parent ID: 12170
the count is: 1
I am back in the parent process, my ID: 12171 and my parent ID: 12170
the count is: 2

从结果中可以知道，vfork 函数创建的子进程是和父进程共享数据的，看count值的输出就知道，并且是先执行子进程，再执行父进程。

参考资料：

《UNIX高级环境编程》