陳皓：一個 fork 的面試題

發表於2012-08-02

來源：陳皓

前兩天有人問了個關於Unix的fork()系統呼叫的面試題，這個題正好是我大約十年前找工作時某公司問我的一個題，我覺得比較有趣，寫篇文章與大家分享一下。這個題是這樣的：

題目：請問下面的程式一共輸出多少個“-”？

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
   int i;
   for(i=0; i<2; i++){
      fork();
      printf("-");
   }

   return 0;
}

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

int main(void)

{

int i;

for(i=0; i<2; i++){

fork();

printf("-");

}

return 0;

}

如果你對fork()的機制比較熟悉的話，這個題並不難，輸出應該是6個“-”，但是，實際上這個程式會很tricky地輸出8個“-”。

要講清這個題，我們首先需要知道fork()系統呼叫的特性，

●fork()系統呼叫是Unix下以自身程式建立子程式的系統呼叫，一次呼叫，兩次返回，如果返回是0，則是子程式，如果返回值>0，則是父程式（返回值是子程式的pid），這是眾為周知的。

●還有一個很重要的東西是，在fork()的呼叫處，整個父程式空間會原模原樣地複製到子程式中，包括指令，變數值，程式呼叫棧，環境變數，緩衝區，等等。

所以，上面的那個程式為什麼會輸入8個“-”，這是因為printf(“-”);語句有buffer，所以，對於上述程式，printf(“-”);把“-”放到了快取中，並沒有真正的輸出（參看《C語言的迷題》中的第一題），在fork的時候，快取被複制到了子程式空間，所以，就多了兩個，就成了8個，而不是6個。

另外，多說一下，我們知道，Unix下的裝置有“塊裝置”和“字元裝置”的概念，所謂塊裝置，就是以一塊一塊的資料存取的裝置，字元裝置是一次存取一個字元的裝置。磁碟、記憶體都是塊裝置，字元裝置如鍵盤和串列埠。塊裝置一般都有快取，而字元裝置一般都沒有快取。

對於上面的問題，我們如果修改一下上面的printf的那條語句為：

printf("-\n");

1	printf("-\n");

或是

printf("-");
fflush(stdout);

1 2	printf("-"); fflush(stdout);

就沒有問題了（就是6個“-”了），因為程式遇到“\n”，或是EOF，或是緩中區滿，或是檔案描述符關閉，或是主動flush，或是程式退出，就會把資料刷出緩衝區。需要注意的是，標準輸出是行緩衝，所以遇到“\n”的時候會刷出緩衝區，但對於磁碟這個塊裝置來說，“\n”並不會引起緩衝區刷出的動作，那是全緩衝，你可以使用setvbuf來設定緩衝區大小，或是用fflush刷快取。

我估計有些朋友可能對於fork()還不是很瞭解，那麼我們把上面的程式改成下面這樣：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
   int i;
   for(i=0; i<2; i++){
      fork();
      //注意：下面的printf有“n”
      printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d n", getppid(), getpid(), i);
   }
   sleep(10); //讓程式停留十秒，這樣我們可以用pstree檢視一下程式樹
   return 0;
}

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

int main(void)

{

int i;

for(i=0; i<2; i++){

fork();

//注意：下面的printf有“n”

printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d n", getppid(), getpid(), i);

}

sleep(10); //讓程式停留十秒，這樣我們可以用pstree檢視一下程式樹

return 0;

}

於是，上面這段程式會輸出下面的結果，（注：編譯出的可執行的程式名為fork）

ppid=8858, pid=8518, i=0
ppid=8858, pid=8518, i=1
ppid=8518, pid=8519, i=0
ppid=8518, pid=8519, i=1
ppid=8518, pid=8520, i=1
ppid=8519, pid=8521, i=1

$ pstree -p | grep fork
|-bash(8858)-+-fork(8518)-+-fork(8519)---fork(8521)