fork真的详解(太好的东西)

本文深入剖析了fork函数的工作原理,展示了如何使用fork创建子进程,并通过多个示例代码演示了父子进程间的交互方式及进程创建过程中的细节。

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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。

     我们来看一个例子:

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  1. #include <stdio.h>
  2. #include <unistd.h>
  3. #include <sys/types.h>
  4. #include <stdlib.h>

  5. /*
  6. * @brief main For the understanding of the fork()
  7. *
  8. * @param argc
  9. * @param argv[]
  10. *
  11. * @return 在父进程中返回子进程的进程号;在子进程中返回0。
  12. */
  13. int main(int argc, char *argv[])
  14. {
  15.     pid_t pid; 
  16.     int cnt = 0;

  17.     pid = fork();

  18.     if (pid == -1) {
  19.         perror("fork error");
  20.         exit(1);
  21.     } else if (pid == 0) {
  22.         printf("The returned value is %d\nIn child process!!\nMy PID is %d\n",
  23.         pid, getpid());
  24.         cnt++;
  25.     } else {
  26.         printf("The returned value is %d\nIn father process!!\nMy PID is %d\n",
  27.         pid, getpid());
  28.         cnt++;
  29.     }
  30.     printf("cnt = %d\n", cnt);

  31.     return 0;
  32. }
     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:

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  1. #include <unistd.h>
  2. #include <stdio.h>

  3. int main(int argc, char *argv[])
  4. {
  5.     int i = 0;
  6.     printf("i\tson/pa\tppid\tpid\treturn\n");
  7.     /*
  8.      *ppid指当前进程的父进程pid 
  9.      *pid指当前进程的pid, 
  10.      *return指fork返回给当前进程的值 
  11.      */
  12.     for (= 0; i < 2; i++) {
  13.         pid_t pid = fork();
  14.         if (pid == 0)
  15.             printf("%d\tchild\t%d\t%d\t%4d\n", i, getppid(),
  16.                    getpid(), pid);
  17.         else
  18.             printf("%d\tparent\t%d\t%d\t%d\n", i, getppid(),
  19.                    getpid(), pid);
  20.     }
  21.     return 0;
  22. }
    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:
  

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  1. #include <unistd.h> 
  2.     #include <stdio.h> 
  3.     int main() { 
  4.         pid_t pid;//pid表示fork函数返回的值 
  5.         //printf("fork!"); 
  6.         printf("fork!/n"); 
  7.         pid = fork(); 
  8.         if (pid < 0) 
  9.             printf("error in fork!"); 
  10.         else if (pid == 0) 
  11.             printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid()); 
  12.         else 
  13.             printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid()); 
  14.         return 0; 
  15.     }
    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。
    

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  1. #include <stdio.h> 
  2. #include <unistd.h> 
  3. int main(int argc, char* argv[]) 
  4. { 
  5.     fork(); 
  6.     fork() && fork() || fork(); 
  7.     fork(); 
  8.     return 0; 
  9. }
    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。
<think>首先,用户正在询问有关“disablefork”在SystemVerilog中如何工作以及它的作用范围的问题。具体是指它在停止线程方面的作用范围。用户提到他们正在寻求可能的技术解释或使用方法。从对话历史来看,有系统级指令:-所有行内数学表达式必须使用$...$格式。-独立的公式必须使用$$...$$格式。-使用LaTeX语法正确。-使用中文回答。-生成相关问题。-在回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如[^1]。另外,从用户消息中,有三条引用:-引用[1]:讨论disablefork用于终止并行进程,并提到可以使用别名或guardfork来限制作用范围。-引用[2]:描述了一个问题,其中使用别名时xrun模拟器没有按预期停止线程。-引用[3]:提到SystemVerilog中的disablefork用于停止线程。用户说这些引用仅供参考,不是真正的需求,所以我要基于之前的上下文进行回应。回顾用户的问题:“我想了解disablefork在停止线程时的作用范围,可能是寻求技术解释或使用方法”。所以我应该提供清晰、技术性的解释。我的回应必须:1.结构清晰,帮助用户逐步解决问题。2.确保回答真实可靠。3.使用中文。4.生成相关问题。5.如果引用任何东西,自然地添加引用标识。组织回应:-首先,介绍disablefork的作用。-解释作用范围:根据SystemVerilog规范,`disablefork`终止当前作用域中的所有并行进程。-提到问题:如引用[2]所述,行为可能因模拟器而异。-讨论限制作用范围的方法:使用别名或guardfork。-提供示例代码片段来解释。-在回答中,如果有必要提及引用,就添加引用标识。-结束时,生成相关问题,放在"§§相关问题§§"后面。由于没有具体的数学,但要处理技术描述。用户可能不需要数学,但如果有任何内联变量或术语,使用$...$。例如,如果讨论变量,就像在伪代码中一样。步骤一:介绍disablefork。-在SystemVerilog中,`fork...join`,`fork...join_any`,或`fork...join_none`用于创建并行线程。-`disablefork`是一个语句,用于终止所有在相同作用域中启动的线程。步骤二:解释作用范围。-默认情况下,`disablefork`影响当前作用域中的所有分支线程。-例如,如果在一个函数或块中调用,它会杀死在那里启动的所有分支。-这可能会导致意外的问题,因为可能会杀死不想要的线程。步骤三:讨论问题的范围。-如引用[1]所述,直接使用`disablefork`可能过于宽泛。-引用[2]突出了一个实际的问题,即使用别名时,在某些模拟器中并不总是像预期那样工作。步骤四:建议方法以限制范围。-方法一:给分支加标签(别名),然后`disablelabel;`。-方法二:使用guardfork。-提供示例代码。步骤五:生成相关问题。-列出一些相关问题以便进一步学习。确保使用中文撰写整个回应。最终结构:1.以解释开始。2.逐步分解。3.用代码示例说明。4.添加引用(如果适用)。5.结束部分列出相关问题。</think> ### SystemVerilog 中 disable fork 的作用范围详解 在 SystemVerilog 中,`fork...join`、`fork...join_any` 或 `fork...join_none` 用于创建并行线程,而 `disable fork` 是一种停止这些线程的机制。它的作用范围是理解其行为的关键,因为它可能导致意外的副作用,比如过于广泛地停止线程。以下我将逐步解释其作用范围、作用机制以及使用方法,确保回答真实可靠,基于 SystemVerilog 标准(IEEE 1800)和常见的实践。如果您的问题源于之前的讨论(如引用[1]、[2]、[3]所示),我会整合这些内容,但侧重于技术解释和使用指导。引用内容仅作为参考,以 [^数字] 的形式标注。 #### 1. **disable fork 的作用范围** - **基本概念**:`disable fork` 的作用范围指它可以影响哪些并行线程。默认情况下,它作用于当前作用域(scope)内的所有分支线程。当前作用域通常是 `fork` 块所在的语句块(例如过程块、函数或模块)。 - 作用机制:当执行 `disable fork` 时,它会立即终止所有在**同一个作用域内启动的并行线程**。这些线程包括当前 `fork` 块及其子分支。注意,`disable fork` 不区分线程的状态(如是否已结束),所以它可能杀死仍在运行的线程,导致不可预测的行为[^1]。 - 关键点:作用范围受动态作用域规则影响。这意味着如果您在一个嵌套的 `fork` 中调用 `disable fork`,它会扩展到整个父作用域。例如: ```systemverilog task my_task; fork : outer // outer fork 块 begin fork : inner // nested fork 块 // 线程1 #10 $display("Thread 1"); // 线程2 #20 $display("Thread 2"); join end join_none // 在其他地方调用 disable fork #5 disable fork; // 这将停止 outer 作用域中的所有线程,包括 inner 分支 endtask ``` 在此例中,`disable fork` 会停止 `outer` 和 `inner` 中的所有线程,因为两者都在同一任务作用域内。这可能导致过度终止,如引用[1]所述。 - **问题与局限性**:直接使用 `disable fork` 的作用范围过于广泛,可能误杀未完成的线程,这在实际应用中常见(如引用[2]中提到的 xrun 模拟器问题:如果使用别名 fork,某些模拟器可能不严格执行作用范围,导致线程未被正确终止)。原因是模拟器的实现差异或代码作用域定义不清。在标准中,`disable fork` 应该仅在当前作用域生效,但动态作用域可能引起“泄漏”。 #### 2. **限制作用范围的方法** 为避免 `disable fork` 的副作用,SystemVerilog 提供了两种方法来限制其作用范围,确保只停止特定线程: - **方法一:给 fork 加别名(Labeled Fork)** - **机制**:为 fork 块添加一个标签(如 `fork : my_label`),然后使用 `disable my_label;` 来停止该标签下的线程。这种方式将作用范围限制在标签定义的块内,避免影响其他作用域。 - **示例代码**: ```systemverilog task safe_disable; fork : my_fork // 添加别名 my_fork #10 $display("Thread A"); // 线程A #20 $display("Thread B"); // 线程B join_any disable my_fork; // 仅停止 my_fork 作用域内的线程 endtask ``` 在此代码中,`disable my_fork` 只会终止 `my_fork` 块内的线程(Thread A 和 Thread B),不会影响其他任务中的线程。引用[1]提到这需要正确的作用域管理。但如引用[2]指出,模拟器(如 xrun)可能存在兼容性问题:如果标签未正确绑定或模拟器未支持,线程可能未被停止。建议在代码中添加验证逻辑(如 `$display` 输出)来调试。 - **优点**:作用范围更精准,减少全局影响。 - **缺点**:依赖于模拟器实现。 - **方法二:使用 guard fork** - **机制**:`guard fork` 是一个新关键字,用于结合 `disable fork` 来隔离作用域。它在 `fork` 块前放置,创建一个“守护作用域”,之后 `disable fork` 只影响该作用域内的线程。 - **示例代码**: ```systemverilog task guard_example; fork // guard fork 隐式创建新作用域 #10 $display("Guarded Thread 1"); #20 $display("Guarded Thread 2"); join_any disable fork; // 仅影响 guard fork 作用域内的线程 endtask ``` 这里,`guard fork` 定义了一个独立作用域,`disable fork` 的作用范围仅限于此,不会扩散到父模块或任务。这在复杂系统中更可靠。 - **优点**:模拟器兼容性好,作用范围控制精确。 - **缺点**:SystemVerilog 标准中较新功能,某些旧工具可能不支持(需检查工具版本)。 - **通用建议**: - **避免直接 disable fork**:如果可能,优先使用别名或 guard fork 来限制作用范围。 - **测试和调试**:使用 SystemVerilog 的内置函数(如 `$display`)监控线程状态,确保作用范围如预期。例如: ```systemverilog fork : test_block // 线程代码 join if (/* 检查条件 */) disable test_block; // 有控制地停止 ``` - **作用范围规则总结**:`disable fork` 的静态作用范围是当前块,但动态作用受环境影响。alias 或 guard fork 使其作用范围局部化。 #### 3. **实际使用提示** - **何时使用**:`disable fork` 适用于需要中断未完成线程的场景,如超时控制(例如,如果线程在指定时间内未完成,则停止它)。但不适合需要精细控制的场合。 - **常见陷阱**: - 在嵌套 fork 中,不正确地使用 `disable fork` 可能杀死父线程,导致数据竞争或死锁。 - 模拟器差异:如引用[2]所述,xrun 或某些工具可能未正确实现别名 fork 的作用范围。推荐查阅工具文档并使用标准验证工具(如 Synopsys VCS 或 Cadence Xcelium)。 - 作用范围与变量作用域:SystemVerilog 的变量作用域使用 `$unit` 或 local,而 `disable fork` 的行为不直接影响变量状态(仅线程执行),需确保变量在禁用后处于一致状态。 通过以上解释,`disable fork` 的线程停止范围应尽可能限制在局部作用域内,以避免广泛影响。如果您有特定代码示例或模拟器问题,我可以进一步分析。
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