Linux中fork()函数详解

浏览数：20 / 时间：2015年06月20日

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：

[cpp] view plain copy

/*
* fork_test.c
* version 1
* Created on: 2010-5-29
* Author: wangth
*/
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main ()
{
pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值
int count=0;
fpid=fork();
if (fpid < 0)
printf("error in fork!");
else if (fpid == 0) {
printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());
printf("我是爹的儿子/n");//对某些人来说中文看着更直白。
count++;
}
else {
printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());
printf("我是孩子他爹/n");
count++;
}
printf("统计结果是: %d/n",count);
return 0;
}

     运行结果是：
    i am the child process, my process id is 5574
    我是爹的儿子
    统计结果是: 1
    i am the parent process, my process id is 5573
    我是孩子他爹
    统计结果是: 1
    在语句fpid=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(fpid<0)……
    为什么两个进程的fpid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返回一个负值；

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。

    引用一位网友的话来解释fpid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fpid(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fpid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，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。
    fork执行完毕后，出现两个进程，

    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count=0，fpid！=0（父进程）。进程2的变量为count=0，fpid=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fpid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 count=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：

[cpp] view plain copy

/*
* fork_test.c
* version 2
* Created on: 2010-5-29
* Author: wangth
*/
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int i=0;
printf("i son/pa ppid pid fpid/n");
//ppid指当前进程的父进程pid
//pid指当前进程的pid,
//fpid指fork返回给当前进程的值
for(i=0;i<2;i++){
pid_t fpid=fork();
if(fpid==0)
printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
else
printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
}
return 0;
}

    运行结果是：
    i son/pa ppid pid fpid
    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，fpid=3225（fork函数在父进程中返向子进程id），代码内容为：

[c-sharp] view plain copy

for(i=0;i<2;i++){
pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=3225
if(fpid==0)
printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
else
printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
}
return 0;

p3225（子进程）的变量为i=0，fpid=0（fork函数在子进程中返回0），代码内容为：

[c-sharp] view plain copy

for(i=0;i<2;i++){
pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=0
if(fpid==0)
printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
else
printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
}
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，至于为什么，这里先不介绍，留到“三、fork高阶知识”讲。
    总结一下，这个程序执行的流程如下：

这个程序最终产生了3个子进程，执行过6次printf（）函数。
我们再来看一份代码：

[cpp] view plain copy

/*
* fork_test.c
* version 3
* Created on: 2010-5-29
* Author: wangth
*/
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int i=0;
for(i=0;i<3;i++){
pid_t fpid=fork();
if(fpid==0)
printf("son/n");
else
printf("father/n");
}
return 0;
}

     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+……+2^N-1）次，创建的子进程数为1+2+4+……+2^N-1个。(感谢gao_jiawei网友指出的错误，原本我的结论是“执行printf函数的次数为2*（1+2+4+……+2^N）次，创建的子进程数为1+2+4+……+2^N”，这是错的)
    网上有人说N次循环产生2*（1+2+4+……+2^N）个进程，这个说法是不对的，希望大家需要注意。

    数学推理见http://202.117.3.13/wordpress/?p=81（该博文的最后）。
    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：

[cpp] view plain copy

/*
* fork_test.c
* version 4
* Created on: 2010-5-29
* Author: wangth
*/
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
pid_t fpid;//fpid表示fork函数返回的值
//printf("fork!");
printf("fork!/n");
fpid = fork();
if (fpid < 0)
printf("error in fork!");
else if (fpid == 0)
printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());
else
printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());
return 0;
}

    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。

[cpp] view plain copy

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
fork();
fork() && fork() || fork();
fork();
return 0;
}

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，我们先做一下弊，先用程序验证一下，到此有多少个进程。

[c-sharp] view plain copy

#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。