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[运维] 实例详解 Linux 中的 fork() 函数

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芭芭拉的头像 楼主
发表于 2016-11-8 14:24:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
  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:
  1. /*
  2. *  fork_test.c
  3. *  version 1
  4. *  Created on: 2010-5-29
  5. *      Author: wangth
  6. */  
  7. #include <unistd.h>  
  8. #include <stdio.h>   
  9. int main ()   
  10. {   
  11.     pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值  
  12.     int count=0;  
  13.     fpid=fork();   
  14.     if (fpid < 0)   
  15.         printf("error in fork!");   
  16.     else if (fpid == 0) {  
  17.         printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());   
  18.         printf("我是爹的儿子/n");//对某些人来说中文看着更直白。  
  19.         count++;  
  20.     }  
  21.     else {  
  22.         printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());   
  23.         printf("我是孩子他爹/n");  
  24.         count++;  
  25.     }  
  26.     printf("统计结果是: %d/n",count);  
  27.     return 0;  
  28. }
复制代码

  运行结果是:
  1. i am the child process, my process id is 5574
  2. 我是爹的儿子
  3. 统计结果是: 1
  4. i am the parent process, my process id is 5573
  5. 我是孩子他爹
  6. 统计结果是: 1
复制代码

  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,
1.png

  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:
  1. /*
  2. *  fork_test.c
  3. *  version 2
  4. *  Created on: 2010-5-29
  5. *      Author: wangth
  6. */  
  7. #include <unistd.h>  
  8. #include <stdio.h>  
  9. int main(void)  
  10. {  
  11.    int i=0;  
  12.    printf("i son/pa ppid pid  fpid/n");  
  13.    //ppid指当前进程的父进程pid  
  14.    //pid指当前进程的pid,  
  15.    //fpid指fork返回给当前进程的值  
  16.    for(i=0;i<2;i++){  
  17.        pid_t fpid=fork();  
  18.        if(fpid==0)  
  19.            printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
  20.        else  
  21.            printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
  22.    }  
  23.    return 0;  
  24. }
复制代码

  运行结果是:
  1. i son/pa ppid pid  fpid
  2. 0 parent 2043 3224 3225
  3. 0 child  3224 3225    0
  4. 1 parent 2043 3224 3226
  5. 1 parent 3224 3225 3227
  6. 1 child     1 3227    0
  7. 1 child     1 3226    0
复制代码

  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:
  1. for(i=0;i<2;i++){  
  2.     pid_t fpid=fork();//执行完毕,i=0,fpid=3225  
  3.     if(fpid==0)  
  4.        printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
  5.     else  
  6.        printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
  7. }  
  8. return 0;
复制代码

  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:
  1. for(i=0;i<2;i++){  
  2.     pid_t fpid=fork();//执行完毕,i=0,fpid=0  
  3.     if(fpid==0)  
  4.        printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
  5.     else  
  6.        printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
  7. }  
  8. return 0;
复制代码

  所以打印出结果:
  1. 0 parent 2043 3224 3225
  2. 0 child  3224 3225    0
复制代码

  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. 1 parent 2043 3224 3226
  2. 1 parent 3224 3225 3227
复制代码

  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. 1 child     1 3227    0
  2. 1 child     1 3226    0
复制代码

  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:
2.jpg

  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:
  1. /*
  2. *  fork_test.c
  3. *  version 3
  4. *  Created on: 2010-5-29
  5. *      Author: wangth
  6. */  
  7. #include <unistd.h>  
  8. #include <stdio.h>  
  9. int main(void)  
  10. {  
  11.    int i=0;  
  12.    for(i=0;i<3;i++){  
  13.        pid_t fpid=fork();  
  14.        if(fpid==0)  
  15.            printf("son/n");  
  16.        else  
  17.            printf("father/n");  
  18.    }  
  19.    return 0;  
  20.   
  21. }
复制代码

  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。
1.png

  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+……+2N-1)次,创建的子进程数为1+2+4+……+2N-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+……+2N)次,创建的子进程数为1+2+4+……+2N ”,这是错的)

  网上有人说N次循环产生2*(1+2+4+……+2N)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:
  1. /*
  2. *  fork_test.c
  3. *  version 4
  4. *  Created on: 2010-5-29
  5. *      Author: wangth
  6. */  
  7. #include <unistd.h>  
  8. #include <stdio.h>  
  9. int main() {  
  10.     pid_t fpid;//fpid表示fork函数返回的值  
  11.     //printf("fork!");  
  12.     printf("fork!/n");  
  13.     fpid = fork();  
  14.     if (fpid < 0)  
  15.         printf("error in fork!");  
  16.     else if (fpid == 0)  
  17.         printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());  
  18.     else  
  19.         printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());  
  20.     return 0;  
  21. }
复制代码

  执行结果如下:
  1. fork!
  2. I am the parent process, my process id is 3361
  3. I am the child process, my process id is 3362
复制代码

  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:
  1. fork!I am the parent process, my process id is 3298
  2. fork!I am the child process, my process id is 3299
复制代码

  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。
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <unistd.h>  
  3. int main(int argc, char* argv[])  
  4. {  
  5.    fork();  
  6.    fork() && fork() || fork();  
  7.    fork();  
  8.    return 0;  
  9. }
复制代码

  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。
  1. #include <stdio.h>  
  2. int main(int argc, char* argv[])  
  3. {  
  4.    fork();  
  5.    fork() && fork() || fork();  
  6.    fork();  
  7.    printf("+/n");  
  8. }
复制代码

  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。
1.png

  加上前面的fork和最后的fork,总共4*5=20个进程,除去main主进程,就是19个进程了。

  三、fork高阶知识

  这一块我主要就fork函数讲一下操作系统进程的创建、死亡和调度等。

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