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Linux中使用C語言的fork()函數創建子進程的實例教程

2020-01-26 14:32:37
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來源:轉載
供稿:網友

一、fork入門知識
一個進程,包括代碼、數據和分配給進程的資源。fork()函數通過系統調用創建一個與原來進程幾乎完全相同的進程,也就是兩個進程可以做完全相同的事,但如果初始參數或者傳入的變量不同,兩個進程也可以做不同的事。
一個進程調用fork()函數后,系統先給新的進程分配資源,例如存儲數據和代碼的空間。然后把原來的進程的所有值都復制到新的新進程中,只有少數值與原來的進程的值不同。相當于克隆了一個自己。
 
我們來看一個例子:

#include <unistd.h> #include <stdio.h>  int main ()  {    pid_t fpid; //fpid表示fork函數返回的值   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("我是爹的兒子/n");//對某些人來說中文看著更直白。     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("統計結果是: %d/n",count);   return 0; } 

運行結果是:

i am the child process, my process id is 5574我是爹的兒子統計結果是: 1i am the parent process, my process id is 5573我是孩子他爹統計結果是: 1

在語句fpid=fork()之前,只有一個進程在執行這段代碼,但在這條語句之后,就變成兩個進程在執行了,這兩個進程的幾乎完全相同,將要執行的下一條語句都是if(fpid<0)……
為什么兩個進程的fpid不同呢,這與fork函數的特性有關。fork調用的一個奇妙之處就是它僅僅被調用一次,卻能夠返回兩次,它可能有三種不同的返回值:
1)在父進程中,fork返回新創建子進程的進程ID;
2)在子進程中,fork返回0;
3)如果出現錯誤,fork返回一個負值;
 
在fork函數執行完畢后,如果創建新進程成功,則出現兩個進程,一個是子進程,一個是父進程。在子進程中,fork函數返回0,在父進程中,fork返回新創建子進程的進程ID。我們可以通過fork返回的值來判斷當前進程是子進程還是父進程。
 
引用一位網友的話來解釋fpid的值為什么在父子進程中不同。“其實就相當于鏈表,進程形成了鏈表,父進程的fpid(p 意味point)指向子進程的進程id, 因為子進程沒有子進程,所以其fpid為0.
fork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。
創建新進程成功后,系統中出現兩個基本完全相同的進程,這兩個進程執行沒有固定的先后順序,哪個進程先執行要看系統的進程調度策略。
每個進程都有一個獨特(互不相同)的進程標識符(process ID),可以通過getpid()函數獲得,還有一個記錄父進程pid的變量,可以通過getppid()函數獲得變量的值。
fork執行完畢后,出現兩個進程,

2016622152015141.gif (557×381)

有人說兩個進程的內容完全一樣啊,怎么打印的結果不一樣啊,那是因為判斷條件的原因,上面列舉的只是進程的代碼和指令,還有變量啊。
執行完fork后,進程1的變量為count=0,fpid!=0(父進程)。進程2的變量為count=0,fpid=0(子進程),這兩個進程的變量都是獨立的,存在不同的地址中,不是共用的,這點要注意。可以說,我們就是通過fpid來識別和操作父子進程的。
還有人可能疑惑為什么不是從#include處開始復制代碼的,這是因為fork是把進程當前的情況拷貝一份,執行fork時,進程已經執行完了int count=0;fork只拷貝下一個要執行的代碼到新的進程。
 
二、fork進階知識
 
先看一份代碼:

#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main(void) {   int i=0;   printf("i son/pa ppid pid fpid/n");   //ppid指當前進程的父進程pid   //pid指當前進程的pid,   //fpid指fork返回給當前進程的值   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; } 

運行結果是:

  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 

這份代碼比較有意思,我們來認真分析一下:
第一步:在父進程中,指令執行到for循環中,i=0,接著執行fork,fork執行完后,系統中出現兩個進程,分別是p3224和p3225(后面我都用pxxxx表示進程id為xxxx的進程)。可以看到父進程p3224的父進程是p2043,子進程p3225的父進程正好是p3224。我們用一個鏈表來表示這個關系:

p2043->p3224->p3225 

第一次fork后,p3224(父進程)的變量為i=0,fpid=3225(fork函數在父進程中返向子進程id),代碼內容為:

for(i=0;i<2;i++){   pid_t fpid=fork();//執行完畢,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; 

所以打印出結果:

  0 parent 2043 3224 3225  0 child 3224 3225  0

第二步:假設父進程p3224先執行,當進入下一個循環時,i=1,接著執行fork,系統中又新增一個進程p3226,對于此時的父進程,p2043->p3224(當前進程)->p3226(被創建的子進程)。
對于子進程p3225,執行完第一次循環后,i=1,接著執行fork,系統中新增一個進程p3227,對于此進程,p3224->p3225(當前進程)->p3227(被創建的子進程)。從輸出可以看到p3225原來是p3224的子進程,現在變成p3227的父進程。父子是相對的,這個大家應該容易理解。只要當前進程執行了fork,該進程就變成了父進程了,就打印出了parent。
所以打印出結果是:

  1 parent 2043 3224 3226  1 parent 3224 3225 3227 

第三步:第二步創建了兩個進程p3226,p3227,這兩個進程執行完printf函數后就結束了,因為這兩個進程無法進入第三次循環,無法fork,該執行return 0;了,其他進程也是如此。
    以下是p3226,p3227打印出的結果:

  1 child   1 3227  0  1 child   1 3226  0 

細心的讀者可能注意到p3226,p3227的父進程難道不該是p3224和p3225嗎,怎么會是1呢?這里得講到進程的創建和死亡的過程,在p3224和p3225執行完第二個循環后,main函數就該退出了,也即進程該死亡了,因為它已經做完所有事情了。p3224和p3225死亡后,p3226,p3227就沒有父進程了,這在操作系統是不被允許的,所以p3226,p3227的父進程就被置為p1了,p1是永遠不會死亡的,至于為什么,這里先不介紹,留到“三、fork高階知識”講。
總結一下,這個程序執行的流程如下:

2016622152338182.gif (492×265)

這個程序最終產生了3個子進程,執行過6次printf()函數。
我們再來看一份代碼:

#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;  } 

它的執行結果是:

  father  son  father  father  father  father  son  son  father  son  son  son  father  son 

    這里就不做詳細解釋了,只做一個大概的分析。

  for    i=0     1      2       father   father   father                    son              son    father                    son        son    father   father                    son              son    father                    son

其中每一行分別代表一個進程的運行打印結果。
總結一下規律,對于這種N次循環的情況,執行printf函數的次數為2*(1+2+4+……+2N)次,創建的子進程數為1+2+4+……+2N個。
網上有人說N次循環產生2*(1+2+4+……+2N)個進程,這個說法是不對的,希望大家需要注意。
同時,大家如果想測一下一個程序中到底創建了幾個子進程,最好的方法就是調用printf函數打印該進程的pid,也即調用printf("%d/n",getpid());或者通過printf("+/n");來判斷產生了幾個進程。有人想通過調用printf("+");來統計創建了幾個進程,這是不妥當的。具體原因我來分析。

老規矩,大家看一下下面的代碼:#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main() {   pid_t fpid;//fpid表示fork函數返回的值   //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; } 
執行結果如下:
fork!I am the parent process, my process id is 3361I am the child process, my process id is 3362 
如果把語句printf("fork!/n");注釋掉,執行printf("fork!");
則新的程序的執行結果是:
fork!I am the parent process, my process id is 3298fork!I am the child process, my process id is 3299 
程序的唯一的區別就在于一個/n回車符號,為什么結果會相差這么大呢?
這就跟printf的緩沖機制有關了,printf某些內容時,操作系統僅僅是把該內容放到了stdout的緩沖隊列里了,并沒有實際的寫到屏幕上。但是,只要看到有/n 則會立即刷新stdout,因此就馬上能夠打印了。
運行了printf("fork!")后,“fork!”僅僅被放到了緩沖里,程序運行到fork時緩沖里面的“fork!”  被子進程復制過去了。因此在子進程度stdout緩沖里面就也有了fork! 。所以,你最終看到的會是fork!  被printf了2次!!!!
而運行printf("fork! /n")后,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子進程里的stdout緩沖里不會有fork! 內容。因此你看到的結果會是fork! 被printf了1次!!!!
所以說printf("+");不能正確地反應進程的數量。
大家看了這么多可能有點疲倦吧,不過我還得貼最后一份代碼來進一步分析fork函數。
#include <stdio.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char* argv[]) {   fork();   fork() && fork() || fork();   fork();   return 0; } 

 
問題是不算main這個進程自身,程序到底創建了多少個進程。
為了解答這個問題,我們先做一下弊,先用程序驗證一下,到此有多少個進程。
答案是總共20個進程,除去main進程,還有19個進程。
我們再來仔細分析一下,為什么是還有19個進程。
第一個fork和最后一個fork肯定是會執行的。
主要在中間3個fork上,可以畫一個圖進行描述。
這里就需要注意&&和||運算符。
A&&B,如果A=0,就沒有必要繼續執行&&B了;A非0,就需要繼續執行&&B。
A||B,如果A非0,就沒有必要繼續執行||B了,A=0,就需要繼續執行||B。
fork()對于父進程和子進程的返回值是不同的,按照上面的A&&B和A||B的分支進行畫圖,可以得出5個分支。

2016622152628204.gif (1011×419) 

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