使用C語言的fork()函數在Linux中創建進程的實例講解

2020-01-26 14:32:32

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供稿：網友

在Linux中創建一個新進程的唯一方法是使用fork()函數。fork()函數是Linux中一個非常重要的函數，和以往遇到的函數有一些區別，因為fork()函數看起來執行一次卻返回兩個值。

fork()函數用于從已存在的進程中創建一個新進程。新進程稱為子進程，而園進程稱為父進程。使用fork()函數得到的子進程是父進程的一個復制品，它從父進程處繼承了整個進程的地址空間，包括進程的上下文、代碼段、進程堆棧、內存信息、打開的文件描述符、符號控制設定、進程優先級、進程組號、當前工作目錄、根目錄、資源限制和控制終端等，而子進程所獨有的只有它的進程號、資源使用和計時器等。

因為子進程幾乎是父進程的完全復制，所以父子兩進程會運行同一個程序。這就需要用一種方式來區分它們，并使它們照此運行，否則，這兩個進程不可能做不同的事。實際上是在父進程中執行fork()函數時，父進程會復制一個子進程，而且父子進程的代碼從fork()函數的返回開始分別在兩個地址空間中同時運行，從而使兩個進程分別獲得所屬fork()函數的返回值，其中在父進程中的返回值是子進程的進程號，而在子進程中返回0。因此，可以通過返回值來判斷該進程的父進程還是子進程。

同時可以看出，使用fork()函數的代價是很大的，它復制了父進程中的代碼段、數據段和堆棧段里的大部分內容，使得fork()函數的系統開銷比較大，而且執行速度也不是很快。

fork()函數語法

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fork()函數出錯可能有兩種原因：
1、當前的進程數已經達到了系統規定的上限，這時errno的值被設置為EAGAIN
2、系統內存不足，這時errno的值被設置為ENOMEM

示例

下面的是csapp.h頭文件，后面的討論中均只用該頭文件來完成程序的編寫。

/* $begin csapp.h */#ifndef __CSAPP_H__#define __CSAPP_H__#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <ctype.h>#include <setjmp.h>#include <signal.h>#include <sys/time.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>#include <errno.h>#include <math.h>#include <pthread.h>#include <semaphore.h>#include <sys/socket.h>#include <netdb.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>/* Default file permissions are DEF_MODE & ~DEF_UMASK *//* $begin createmasks */#define DEF_MODE  S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH#define DEF_UMASK S_IWGRP|S_IWOTH/* $end createmasks *//* Simplifies calls to bind(), connect(), and accept() *//* $begin sockaddrdef */typedef struct sockaddr SA;/* $end sockaddrdef *//* Persistent state for the robust I/O (Rio) package *//* $begin rio_t */#define RIO_BUFSIZE 8192typedef struct {  int rio_fd;        /* Descriptor for this internal buf */  int rio_cnt;        /* Unread bytes in internal buf */  char *rio_bufptr;     /* Next unread byte in internal buf */  char rio_buf[RIO_BUFSIZE]; /* Internal buffer */} rio_t;/* $end rio_t *//* External variables */extern int h_errno;  /* Defined by BIND for DNS errors */ extern char **environ; /* Defined by libc *//* Misc constants */#define  MAXLINE   8192 /* Max text line length */#define MAXBUF  8192 /* Max I/O buffer size */#define LISTENQ 1024 /* Second argument to listen() *//* Our own error-handling functions */void unix_error(char *msg);void posix_error(int code, char *msg);void dns_error(char *msg);void app_error(char *msg);/* Process control wrappers */pid_t Fork(void);void Execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);pid_t Wait(int *status);pid_t Waitpid(pid_t pid, int *iptr, int options);void Kill(pid_t pid, int signum);unsigned int Sleep(unsigned int secs);void Pause(void);unsigned int Alarm(unsigned int seconds);void Setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);pid_t Getpgrp();/* Signal wrappers */typedef void handler_t(int);handler_t *Signal(int signum, handler_t *handler);void Sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);void Sigemptyset(sigset_t *set);void Sigfillset(sigset_t *set);void Sigaddset(sigset_t *set, int signum);void Sigdelset(sigset_t *set, int signum);int Sigismember(const sigset_t *set, int signum);/* Unix I/O wrappers */int Open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);ssize_t Read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t Write(int fd, const void *buf, size_t count);off_t Lseek(int fildes, off_t offset, int whence);void Close(int fd);int Select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,     struct timeval *timeout);int Dup2(int fd1, int fd2);void Stat(const char *filename, struct stat *buf);void Fstat(int fd, struct stat *buf) ;/* Memory mapping wrappers */void *Mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);void Munmap(void *start, size_t length);/* Standard I/O wrappers */void Fclose(FILE *fp);FILE *Fdopen(int fd, const char *type);char *Fgets(char *ptr, int n, FILE *stream);FILE *Fopen(const char *filename, const char *mode);void Fputs(const char *ptr, FILE *stream);size_t Fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);void Fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);/* Dynamic storage allocation wrappers */void *Malloc(size_t size);void *Realloc(void *ptr, size_t size);void *Calloc(size_t nmemb, size_t size);void Free(void *ptr);/* Sockets interface wrappers */int Socket(int domain, int type, int protocol);void Setsockopt(int s, int level, int optname, const void *optval, int optlen);void Bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);void Listen(int s, int backlog);int Accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);void Connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);/* DNS wrappers */struct hostent *Gethostbyname(const char *name);struct hostent *Gethostbyaddr(const char *addr, int len, int type);/* Pthreads thread control wrappers */void Pthread_create(pthread_t *tidp, pthread_attr_t *attrp,       void * (*routine)(void *), void *argp);void Pthread_join(pthread_t tid, void **thread_return);void Pthread_cancel(pthread_t tid);void Pthread_detach(pthread_t tid);void Pthread_exit(void *retval);pthread_t Pthread_self(void);void Pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_function)());/* POSIX semaphore wrappers */void Sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);void P(sem_t *sem);void V(sem_t *sem);/* Rio (Robust I/O) package */ssize_t rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n);ssize_t rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n);void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd); ssize_t  rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);ssize_t  rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen);/* Wrappers for Rio package */ssize_t Rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n);void Rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n);void Rio_readinitb(rio_t *rp, int fd); ssize_t Rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);ssize_t Rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen);/* Client/server helper functions */int open_clientfd(char *hostname, int portno);int open_listenfd(int portno);/* Wrappers for client/server helper functions */int Open_clientfd(char *hostname, int port);int Open_listenfd(int port); #endif /* __CSAPP_H__ *//* $end csapp.h */

fork()函數示例一

#include "csapp.h" int main(){ pid_t pid; int x=1; pid=fork(); if(pid==0) {  printf("child :x=%d/n",++x);  exit(0); } printf("parent:x=%d/n",--x); exit(0);}

例如上面的程序，由于fork()函數比較特殊，執行一次，返回兩次。返回兩次分別是在父進程和子進程中各返回一個值，在子進程中返回為0，在父進程中返回進程ID，一般為正整數即非零。這樣就能根據返回值來確定其在哪個進程中了。如上面的程序，子進程中pid=0，所以執行if語句，子進程會共享父進程的文本/數據/bss段/堆以及用戶棧，子進程隨后正常終止并且返回碼為0，因此子進程不執行后續的共享代碼塊，因此本程序的輸出結果是

parent:x=0
child :x=2

fork()函數示例二

#include "csapp.h"int main(){ if(fork()==0) {  printf("a"); } else {  printf("b");  waitpid(-1,NULL,0); } printf("c"); exit(0);}

此程序是用來檢驗子進程與父進程的關系。同樣再次強調一遍，fork()函數用于新建子進程，子進程具有與父進程相同的用戶級虛擬地址空間，包括文本/數據/bss段/堆/用戶棧，子進程可以讀寫任意父進程打開的文件，它們的最大區別是它們有不同的PID。fork函數調用一次，返回兩次，一次在父進程中，其返回子進程的PID；在子進程中，fork返回0，因為子進程的PID總是非零的，返回值就提供了一個明確的方法來辨別是在父進程中執行還是在子進程中執行。waitpid()函數是等待子進程終止，若無錯誤，則返回值為正數。因為在在子進程中，fork()返回0，因此先輸出a，并且其共享父進程的代碼段，故又輸出c；而在父進程中，fork()返回值非零，所以執行else語句，故輸出bc。因此本程序的輸出結果為
acbc

fork()函數示例三

#include "csapp.h"int main(){ int x=1; if(fork()==0)  printf("printf1:x=%d/n",++x); printf("printf2:x=%d/n",--x); exit(0);}

本程序再次演示子進程與父進程的區別。程序中，在子進程中，子進程共享數據x=1，并且fork()返回0，因此if語句被執行，輸出printf1:x=2,接著共享后面一部分代碼段，因此再輸出printf2:x=1；而對于父進程，fork()返回非零，因此不會執行if語句段，而執行后面的代碼，即輸出printf2:x=0.因此本程序輸出結果為（子進程與父進程順序不唯一）

printf2:x=0printf1:x=2printf2:x=1

fork()函數示例四

#include "csapp.h"#define N 3int main(){ int status,i; pid_t pid;  for(i=0;i<N;i++)  if((pid=fork())==0) //新建子進程   exit(100+i);  while((pid=waitpid(-1,&status,0))>0) { //如果子進程是正常終止的，就返回進程的進程號PID  if(WIFEXITED(status)) //返回退出狀態   printf("child %d terminated normally with exit status =%d/n",pid,WEXITSTATUS(status));  else   printf("child %d erminated abnormally/n",pid); } if(errno!=ECHILD)  printf("waitpid error/n"); exit(0);}

本代碼主要是測試進程的終止，即waitpid案例程序。定義生成兩個進程，本例子是不按照特定順序來回收僵死子進程，本程序返回結果為

child 28693 terminated normally with exit status =100child 28694 terminated normally with exit status =101child 28695 terminated normally with exit status =102

fork()函數示例五

#include "csapp.h"#define N 2int main(){ int status,i; pid_t pid[N],retpid; for(i=0;i<N;i++)  if((pid[i]=fork())==0)   exit(100+i);//退出并返回狀態碼 i=0; while((retpid=waitpid(pid[i++],&status,0))>0) {  if(WIFEXITED(status))   printf("child %d terminated normally with exit status=%d/n",retpid,WEXITSTATUS(status));  else   printf("child %d terminated abnormally/n",retpid); } if(errno !=ECHILD)  printf("waitpid error!"); exit(0);}

按照創建進程的順序來回收這些僵死進程，注意程序中的pid[i++]是按序的標志，本程序運行結果為

child 29846 terminated normally with exit status=100child 29847 terminated normally with exit status=101

fork()函數示例六

#include "csapp.h"/*推測此程序會輸出什么樣的結果*/int main(){ int status; pid_t pid; printf("Hello/n"); pid=fork(); printf("%d/n",!pid); if(pid!=0) {  if(waitpid(-1,&status,0)>0) {   if(WIFEXITED(status)!=0)  printf("%d/n",WEXITSTATUS(status));  } } printf("Bye/n"); exit(2);}

首先父進程會輸出Hello，子進程新建成功，在子進程中，pid為0，輸出1，并且子進程無法執行if語句，但是子進程仍然可以輸出Bye，并且正常退出并返回狀態碼為2。而在父進程中，pid為非零的正數，因此先輸出0，然后執行if語句，由于子進程已經正常退出，故輸出狀態碼2，并且最后執行公共代碼塊，輸出Bye并正常退出。因此，總共輸出的結果如下所示：