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linux fork函数浅析

2018年05月23日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2590字 ⁄ 字号 评论关闭

  1. #include <sys/types.h>  
  2. #include <unistd.h>  
  3. /* 
  4. 功能:复制进程 
  5. 参数:无 
  6. 返回值:  成功:  父进程:返回子进程id 
  7.                 子进程:返回0 
  8.          失败:  返回-1 
  9. */  
  10. pid_t fork(void);  

由fork创建的新进程被称为子进程(child process)。该函数被调用一次,但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0,而父进程的返回值则是新进程(子进程)的进程 id。将子进程id返回给父进程的理由是:因为一个进程的子进程可以多于一个,没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的进程id。对子进程来说,之所以fork返回0给它,是因为它随时可以调用getpid()来获取自己的pid;也可以调用getppid()来获取父进程的id。(进程id 0总是由交换进程使用,所以一个子进程的进程id不可能为0
)。

fork之后,操作系统会复制一个与父进程完全相同的子进程,虽说是父子关系,但是在操作系统看来,他们更像兄弟关系,这2个进程共享代码空间,但是数据空间是互相独立的,子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝,指令指针也完全相同,子进程拥有父进程当前运行到的位置(两进程的程序计数器pc值相同,也就是说,子进程是从fork返回处开始执行的),但有一点不同,如果fork成功,子进程中fork的返回值是0,父进程中fork的返回值是子进程的进程号,如果fork不成功,父进程会返回错误。
可以这样想象,2个进程一直同时运行,而且步调一致,在fork之后,他们分别作不同的工作,也就是分岔了。这也是fork为什么叫fork的原因

至于那一个最先运行,可能与操作系统(调度算法)有关,而且这个问题在实际应用中并不重要,如果需要父子进程协同,可以通过原语的办法解决。

 

一个fork例子

  1. #include <unistd.h>  
  2. #include <sys/types.h>  
  3. #include <stdio.h>  
  4. int main(void)  
  5. {  
  6.     pid_t pid;  
  7.     pid=fork();  
  8.     switch (pid)  
  9.     {  
  10.     case -1:  
  11.         perror("fork error");  
  12.         exit(1);  
  13.     case 0:  
  14.         printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());  
  15.         break;  
  16.     default:  
  17.         printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());  
  18.         break;  
  19.     }  
  20.      return 0;  
  21. }   

要搞清楚fork的执行过程,就必须先弄清楚操作系统中的“进程(process)”概念。一个进程,主要包含三个元素:
o. 一个可以执行的程序;
o. 和该进程相关联的全部数据(包括变量,内存空间,缓冲区等等);
o. 程序的执行上下文(execution context)。

不妨简单理解为,一个进程表示的,就是一个可执行程序的一次执行过程中的一个状态。操作系统对进程的管理,典型的情况,是通过进程表完成的。进程表中的每一个表项,记录的是当前操作系统中一个进程的情况。对于单 CPU的情况而言,每一特定时刻只有一个进程占用 CPU,但是系统中可能同时存在多个活动的(等待执行或继续执行的)进程。
一个称为“程序计数器(program counter, pc)”的寄存器,指出当前占用 CPU的进程要执行的下一条指令的位置。
当分给某个进程的 CPU时间已经用完,操作系统将该进程相关的寄存器的值,保存到该进程在进程表中对应的表项里面;把将要接替这个进程占用 CPU的那个进程的上下文,从进程表中读出,并更新相应的寄存器(这个过程称为“上下文交换(process context switch)”,实际的上下文交换需要涉及到更多的数据,那和fork无关,不再多说,主要要记住程序寄存器pc记录了程序当前已经执行到哪里,是进程上下文的重要内容,换出 CPU的进程要保存这个寄存器的值,换入CPU的进程,也要根据进程表中保存的本进程执行上下文信息,更新这个寄存器)。
好了,有这些概念打底,可以说fork了。当你的程序执行到下面的语句:pid=fork(); 

操作系统创建一个新的进程(子进程),并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序;上下文和数据,绝大部分就是原进程(父进程)的拷贝,但它们是两个相互独立的进程!此时程序寄存器pc,在父、子进程的上下文中都声称,这个进程目前执行到fork调用即将返回(此时子进程不占有CPU,子进程的pc不是真正保存在寄存器中,而是作为进程上下文保存在进程表中的对应表项内)。问题是怎么返回,在父子进程中就分道扬镳。

(假设父进程一直占据CPU,实际情况很可能不一样)父进程继续执行,操作系统对fork的实现,使这个调用在父进程中返回刚刚创建的子进程的pid(一个正整数),所以下面的swtich语句中执行了default分支(case -1,case 0分支都不满足)。所以输出I am the parent process...

子进程在之后的某个时候得到调度,它的上下文被换入,占据 CPU,操作系统对fork的实现,使得子进程中fork调用返回0,所以在这个进程(注意这不是父进程了哦,虽然是同一个程序,但是这是同一个程序的另外一次执行,在操作系统中这次执行是由另外一个进程表示的,从执行的角度说和父进程相互独立)中pid=0。这个进程继续执行的过程中,switch语句中 case -1不满足,但是case 0是满足。所以输出I am the child process..

 

程序的运行结果(先输出I am the parent process...,还是I am the parent process...)不可预见,与操作系统实际运行情况有关!

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