【Linux系统编程】五、进程创建 -- fork()

前言

现阶段我们知道进程创建有如下两种方式，其实包括在以后的学习中这两种方式也是最常见的：

• 命令行启动命令 (程序、指令等)
• 通过程序自身 fork() 后产生的子进程

Ⅰ. 重温fork函数

一、fork()的概念

​ 在 linux 中 fork函数 是非常重要的 系统函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。之前我们通过查 man 手册，知道了运用 fork() 函数，并且调用它需要包含 头文件 <unistd.h>。

​ 如下是函数的声明和返回值：

#include <unistd.h> 
pid_t fork(void); // 返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

​ 但是之前我们一直有个问题没有解决，那么就是**为什么一个函数一个返回两个值？**有了之前的进程概念的知识，这里我们就可以来解释一下这个现象了！

二、如何理解fork()有两个返回值

​ 父进程 fork 时，子进程是以父进程为模板，简单地说就是子进程的大部分属性和属性值是拷贝父进程的，而小部分是指子进程的调度时间要重置、子进程的 pid、ppid 以及兄弟的要重置。其中上面的 PCB、地址空间、页表都在内核里由操作系统维护的，这也就意味着我们只需要调用操作系统提供的接口 fork，而具体工作细节由操作系统完成。

​ 那其中 为什么 fork() 给父进程返回 子进程的pid，给子进程返回 0 呢？？？因为我们知道父进程和子进程的关系就是一对多的关系，每个子进程只能有一个孩子，而每个父进程可以有多个子进程，这个 返回值的意义就是为了标识它们的关系！

​ 我们还要知道 fork() 函数是在用户空间中被我们调用的，但是其实现是在内核空间中由操作系统实现的！

​ fork() 的实现思路，大致如下：

1、给子进程分配新的内存块和内核数据结构（PCB、进程地址空间、页表等，并构建对应的映射关系）；

2、将父进程的部分数据结构内容拷贝至父进程；

3、把子进程添加到系统进程列表中；

4、fork 返回，调度器开始调度。

​ 从上图我们知道 既然在 fork 函数 return 之前，就已经有了父子两个进程，父子两个执行流分别执行，所以会给父进程返回子进程的PID，给子进程返回0，失败则返回-1。

​ 让我们看看下面的代码程序：

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>    
#include <stdlib.h>    
int main()    
{    pid_t pid;    printf("Before: pid is %d\n", getpid());    if((pid = fork()) == -1) // 判断是否返回的是失败值{perror("fork()");exit(1);}printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);    sleep(1);    return 0;    
}    调用结果：
[liren@VM-8-2-centos process]$ ./mypro 
Before: pid is 20052
After:pid is 20052, fork return 20053
After:pid is 20053, fork return 0

​ 从上述结果可以看到原来只有父进程一个也就是 20052，但是 fork 之后又产生了子进程 20053！

​ 🔴 注意，fork 之后，谁先执行完全由调度器决定。

调度器是CPU中央处理器的管理员，主要负责完成做两件事情：

1. 选择某些就绪进程来执行

2. 打断某些执行的进程让它们变为就绪状态。

​ 利用 fork 返回值的这个特性，我们可以用变量 id 接收返回值，根据 fork 返回值不同让父子进程执行不同的代码，这个我们之前也讲过啦，简单过一下就好！

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int grobal_val = 100;
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){printf("子进程:pid = %d,ppid = %d | grobal_val = %d, &grobal_val = %p\n",getpid(), getppid(), grobal_val, &grobal_val);}else if(id > 0){printf("父进程:pid = %d,ppid = %d | grobal_val = %d, &grobal_val = %p\n", getpid(), getppid(), grobal_val, &grobal_val);sleep(1);}else {printf("fork error\n");return 1;}return 0;
}调用结果：
[liren@VM-8-2-centos process]$ ./mypro 
父进程:pid = 18199,ppid = 16903 | grobal_val = 100, &grobal_val = 0x60105c
子进程:pid = 18200,ppid = 18199 | grobal_val = 100, &grobal_val = 0x60105c

Ⅱ.fork的常规用法

• 一个父进程希望复制自己，使得 父子进程同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
• 让一个进程执行一个不同的程序。例如子进程从 fork 返回后，调用 exec 函数。（这个会在进程替换中学习）

Ⅲ. fork调用失败的原因

fork 是操作系统级别的接口，所以失败的原因一定是系统级别的原因。

• 系统中已经存在太多的进程了。
• 实际用户创建的进程超过了限制。

这段代码是测试你的用户能跑好多个进程，但是不建议跑。因为跑了之后就会影响 bash，会导致系统出错！代码如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int cnt = 0;while(1){int ret = fork();if(ret < 0){printf("fork error!, cnt: %d\n", cnt);break;}else if(ret == 0){// 子进程不断循环while(1) {printf("子进程:pid = %d,ppid = %d\n",getpid(), getppid());sleep(1);}}// 父进程不断循环不断产生子进程cnt++;}return 0;
}调用结果：
子进程:pid = 1706,ppid = 27353
子进程:pid = 32351,ppid = 27353
子进程:pid = 32348,ppid = 27353
子进程:pid = 32347,ppid = 27353
子进程:pid = 32331,ppid = 27353
............
^C
[liren@VM-8-2-centos process]$ 

解决方法：

1. 用命令 kill -9 -1 将进程全部杀死

2. 重新增加一个用户使用

Ⅳ. 写时拷贝

​ 当父子代码只读时，父子的代码和数据是共享的。但是任意一方试图写入时，便以写时拷贝的方式各自一份副本。

​ 写时拷贝是一种机制或者策略，好比打仗时的敌退我打，敌进我撤，它根据实时情况来完成既定规则。同理写时拷贝是根据父和子谁先写入的实时情况来完成拷贝的，它是一种延时操作的策略。

​ 具体步骤其实我们在讲进程地址空间的时候已经讲过了，细节见下图:

​ 这里要强调的是这里的写时拷贝是针对数据的写时拷贝，这里留一个疑问 ~~ 代码会发生类似的写时拷贝的问题吗？答案是会的，后面我们讲进程程序替换时候会讲到！

为什么存在写时拷贝❓❓❓

• 写时拷贝是为了保证父子进程的独立性。
• 节省内存和系统资源，提高 fork 的效率，减少 fork 失败的概率。

​ 父子进程创建时，所有数据直接各自拷贝一份不行吗 ？？？很明显，不使用写时拷贝也可以保证父子进程的独立性，为啥还要费劲使用写时拷贝。其根本原因是：

1. 所有的数据，父进程和子进程并不是都必须写入数据，有可能它们仅仅需要读取，而此时的各自拷贝是没有意义的，而且会浪费内存和系统资源。
2. fork 时，创建数据结构，如果还要将数据拷贝一份，那么 fork 的效率一定会降低。
3. fork 本质就是向系统申请更多的内存资源，资源申请多了，fork 有可能就会失败。