【多程式】Linux中fork()函式詳解|多程式

bandaoyu發表於2020-11-06
Linux函式

原文：https://blog.csdn.net/kxjrzyk/article/details/81603049

一、fork入門知識

 

一個程式，包括程式碼、資料和分配給程式的資源。fork（）函式通過系統呼叫建立一個與原來程式幾乎完全相同的程式，也就是兩個程式可以做完全相同的事，但如果初始引數或者傳入的變數不同，兩個程式也可以做不同的事。

一個程式呼叫fork（）函式後，系統先給新的程式分配資源，例如儲存資料和程式碼的空間。然後把原來的程式的所有值都複製到新的新程式中，只有少數值與原來的程式的值不同。相當於克隆了一個自己。

我們來看一個例子：

 

/*
*  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函式返回的值
    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;
}

執行結果是：

 

i am the child process, my process id is 5574

我是爹的兒子

統計結果是: 1

i 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，只有一個程式在執行這段程式碼，但在這條語句之後，就變成兩個程式在執行了，這兩個程式的幾乎完全相同，將要執行的下一條語句都是if(fpid<0)……
為什麼兩個程式的fpid不同呢，這與fork函式的特性有關。

fork呼叫的一個奇妙之處就是它僅僅被呼叫一次，卻能夠返回兩次，它可能有三種不同的返回值：
    1）在父程式中，fork返回新建立子程式的程式ID；
    2）在子程式中，fork返回0；
    3）如果出現錯誤，fork返回一個負值；

在fork函式執行完畢後，如果建立新程式成功，則出現兩個程式，一個是子程式，一個是父程式。在子程式中，fork函式返回0，在父程式中，fork返回新建立子程式的程式ID。我們可以通過fork返回的值來判斷當前程式是子程式還是父程式。

引用一位網友的話來解釋fpid的值為什麼在父子程式中不同。其實就相當於連結串列，程式形成了連結串列，父程式的fpid(p 意味point)指向子程式的程式id，因為子程式沒有子程式，所以其fpid為0。


fork出錯可能有兩種原因：
    1）當前的程式數已經達到了系統規定的上限，這時errno的值被設定為EAGAIN。
    2）系統記憶體不足，這時errno的值被設定為ENOMEM。


建立新程式成功後，系統中出現兩個基本完全相同的程式，這兩個程式執行沒有固定的先後順序，哪個程式先執行要看系統的程式排程策略。


每個程式都有一個獨特（互不相同）的程式識別符號（process ID），可以通過getpid（）函式獲得，還有一個記錄父程式pid的變數，可以通過getppid（）函式獲得變數的值。
fork執行完畢後，出現兩個程式：

 

 

有人說兩個程式的內容完全一樣啊，怎麼列印的結果不一樣啊，那是因為判斷條件的原因，上面列舉的只是程式的程式碼和指令，還有變數啊。

 

執行完fork後，程式1的變數為count=0，fpid！=0（父程式）。程式2的變數為count=0，fpid=0（子程式），這兩個程式的變數都是獨立的，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來識別和操作父子程式的。

 

還有人可能疑惑為什麼不是從#include處開始複製程式碼的，這是因為fork是把程式當前的情況拷貝一份，執行fork時，程式已經執行完了int count=0;

 

fork只拷貝下一個要執行的程式碼到新的程式。

 

二、fork進階知識

 

先看一份程式碼：

/*
*  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指當前程式的父程式pid
    //pid指當前程式的pid,
    //fpid指fork返回給當前程式的值
    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;
}

執行結果是：

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

這份程式碼比較有意思，我們來認真分析一下：

第一步：在父程式中，指令執行到for迴圈中，i=0，接著執行fork，fork執行完後，系統中出現兩個程式，分別是p3224和p3225（後面我都用pxxxx表示程式id為xxxx的程式）。可以看到父程式p3224的父程式是p2043，子程式p3225的父程式正好是p3224。我們用一個連結串列來表示這個關係：

p2043->p3224->p3225

第一次fork後，p3224（父程式）的變數為i=0，fpid=3225（fork函式在父程式中返向子程式id），程式碼內容為：

for(i = 0; i < 2; i++)
{
    pid_t fpid = fork(); //執行完畢，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（子程式）的變數為i=0，fpid=0（fork函式在子程式中返回0），程式碼內容為：

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;

所以列印出結果：

0 parent 2043 3224 3225
0 child  3224 3225    0

第二步：假設父程式p3224先執行，當進入下一個迴圈時，i=1，接著執行fork，系統中又新增一個程式p3226，對於此時的父程式，p2043->p3224（當前程式）->p3226（被建立的子程式）。

對於子程式p3225，執行完第一次迴圈後，i=1，接著執行fork，系統中新增一個程式p3227，對於此程式，p3224->p3225（當前程式）->p3227（被建立的子程式）。

從輸出可以看到p3225原來是p3224的子程式，現在變成p3227的父程式。父子是相對的，這個大家應該容易理解。只要當前程式執行了fork，該程式就變成了父程式了，就列印出了parent。

所以列印出結果是：

1 parent 2043 3224 3226
1 parent 3224 3225 3227

第三步：第二步建立了兩個程式p3226，p3227，這兩個程式執行完printf函式後就結束了，因為這兩個程式無法進入第三次迴圈，無法fork，該執行return 0;了，其他程式也是如此。

以下是p3226，p3227列印出的結果：

1 child     1 3227    0
1 child     1 3226    0

細心的讀者可能注意到p3226，p3227的父程式難道不該是p3224和p3225嗎，怎麼會是1呢？這裡得講到程式的建立和死亡的過程，在p3224和p3225執行完第二個迴圈後，main函式就該退出了，也即程式該死亡了，因為它已經做完所有事情了。p3224和p3225死亡後，p3226，p3227就沒有父程式了，這在作業系統是不被允許的，所以p3226，p3227的父程式就被置為p1了，p1是永遠不會死亡的，至於為什麼，這裡先不介紹，留到“三、fork高階知識”講。

總結一下，這個程式執行的流程如下：

 

 

 

這個程式最終產生了3個子程式，執行過6次printf（）函式。

我們再來看一份程式碼：

 

/*
*  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;
 
}

 

它的執行結果是：

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


這裡就不做詳細解釋了，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程式的執行列印結果。

總結一下規律，對於這種N次迴圈的情況，執行printf函式的次數為2*（1+2+4+……+2N-1）次，建立的子程式數為1+2+4+……+2N-1個。

(感謝gao_jiawei網友指出的錯誤，原本我的結論是“執行printf函式的次數為2*（1+2+4+……+2N）次，建立的子程式數為1+2+4+……+2N ”，這是錯的)

網上有人說N次迴圈產生2*（1+2+4+……+2N）個程式，這個說法是不對的，希望大家需要注意。

數學推理見http://202.117.3.13/wordpress/?p=81（該博文的最後）。

同時，大家如果想測一下一個程式中到底建立了幾個子程式，最好的方法就是呼叫printf函式列印該程式的pid，也即呼叫printf("%d/n",getpid());或者通過printf("+/n");

來判斷產生了幾個程式。有人想通過呼叫printf("+");來統計建立了幾個程式，這是不妥當的。具體原因我來分析。

老規矩，大家看一下下面的程式碼：

/*
*  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函式返回的值
    //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 3361
I am the child process, my process id is 3362

如果把語句printf("fork!/n");註釋掉，執行printf("fork!");

則新的程式的執行結果是：

fork!I am the parent process, my process id is 3298
fork!I am the child process, my process id is 3299

程式的唯一的區別就在於一個/n回車符號，為什麼結果會相差這麼大呢？

這就跟printf的緩衝機制有關了，printf某些內容時，作業系統僅僅是把該內容放到了stdout的緩衝佇列裡了,並沒有實際的寫到螢幕上。

但是,只要看到有/n 則會立即重新整理stdout,因此就馬上能夠列印了。

執行了printf("fork!")後,“fork!”僅僅被放到了緩衝裡,程式執行到fork時緩衝裡面的“fork!”  被子程式複製過去了。因此在子程式度stdout緩衝裡面就也有了fork! 。所以,你最終看到的會是fork! 被printf了2次！！！！

而執行printf("fork! /n")後,“fork!”被立即列印到了螢幕上,之後fork到的子程式裡的stdout緩衝裡不會有fork! 內容。因此你看到的結果會是fork! 被printf了1次！！！！

所以說printf("+");不能正確地反應程式的數量。

大家看了這麼多可能有點疲倦吧，不過我還得貼最後一份程式碼來進一步分析fork函式。

 

#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這個程式自身，程式到底建立了多少個程式。

為了解答這個問題，我們先做一下弊，先用程式驗證一下，到此有多少個程式。

#include <stdio.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    fork();
    fork() &&fork() || fork();
    fork();
    printf("+/n");
}
​​​​​​​
答案是總共20個程式，除去main程式，還有19個程式。

我們再來仔細分析一下，為什麼是還有19個程式。
第一個fork和最後一個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。
這裡就需要注意&&和||運算子。
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()對於父程式和子程式的返回值是不同的，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。

 

    

 

 

加上前面的fork和最後的fork，總共4*5=20個程式，除去main主程式，就是19個程式了。

 

三、fork高階知識

這一塊我主要就fork函式講一下作業系統程式的建立、死亡和排程等。因為時間和精力限制，我先寫到這裡，下次找個時間我爭取把剩下的內容補齊。

 

 

原文地址：http://blog.csdn.net/jason314/article/details/5640969

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