Unix环境高级编程(七)fork函数总结

　　在Unix/Linux中用fork函数创建一个新的进程。进程是由当前已有进程调用fork函数创建，分叉的进程叫子进程，创建者叫父进程。该函数的特点是调用一次，返回两次，一次是在父进程，一次是在子进程。两次返回的区别是子进程的返回值为0，父进程的返回值是新子进程的ID。子进程与父进程继续并发运行。如果父进程继续创建更多的子进程，子进程之间是兄弟关系，同样子进程也可以创建自己的子进程，这样可以建立起定义关系的进程之间的一种层次关系。

　　程序包含位于内存的多个组成部分，执行程序的过程将根据需要来访问这些内容，包括文本段（text segment）、数据段（data segments）、栈（stack）和堆（heap）。文本段中存放CPU所执行的命令，数据段存放进程操作的所有数据变量，栈存放自动变量和函数数据，堆存放动态内存分配情况数据。当进程被创建时，子进程收到父进程的数据副本，包括数据空间、堆、栈和进程描述符。

程序1：创建一个子进程，子进程对继承的数据进行修改，然后分别输出父子进程的信息。程序如下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <string.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <errno.h>
 6 #include <sys/types.h>
 7
 8 int add(int a,int b);
 9 //全局变量
10 int global = 99;
11 char buf[] = "Input a string: ";
12
13 int main()
14 {
15     pid_t   pid;
16     int val,ret;
17     char *str;
18     val =49;
19     str = (char*)malloc(100*sizeof(char));
20     memset(str,0,100*sizeof(char));
21     if((pid = fork()) == -1)
22     {
23         perror("fork() error");
24         exit(-1);
25     }
26     if(pid == 0)   //子进程
27     {
28         printf("Child process start exec.\n");
29         global++;
30         val++;
31     }
32     if(pid >0)   //父进程
33     {
34          sleep(10);   //等待子进程执行
35          printf("Parent process start exec.\n");
36     }
37     printf("pid=%d,ppid=%d,global=%d,val=%d\n",getpid(),getppid(),global,val);
38     write(STDOUT_FILENO,buf,strlen(buf));
39     read(STDIN_FILENO,str,100);
40     write(STDOUT_FILENO,str,strlen(str));
41     ret = add(global,val);
42     printf("global+val=%d\n",ret);
43     exit(0);
44 }
45
46 int add(int a,int b)
47 {
48     return (a+b);
49 }

fork函数执行后程序结构图如下：

子进程与父进程并行执行，因此在父进程中sleep(10),让子进程先执行，然后再执行父进程。

程序执行结果如下所示：

如何创建多个子进程呢？在开发并发服务器时，用到的进程池模型需要先创建指定书目的子进程。举个例子，假如我们现在需要创建2个子进程，很容易想到的是调用一个循环，执行fork函数2次即可。尝试一下是否可行呢？代码如下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <string.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <errno.h>
 6 #include <sys/types.h>
 7
 8 int main()
 9 {
10     int i;
11     pid_t pid;
12     printf("pid=%d , ppid=%d\n",getpid(),getppid());
13     //通过一个循环创建对个子进程
14     for(i=0;i<2;++i)
15     {
16         pid = fork();
17         if(pid == 0)
18         {
19             printf("create child process successfully.\n");
20             printf("pid=%d , ppid=%d\n",getpid(),getppid());
21             printf("i=%d\n",i);
22         }
23         else if(pid== -1)
24         {
25             perror("fork() error");
26             exit(-1);
27         }
28         else
29         {
30             sleep(3);
31             printf("parent process.\n");
32             printf("pid=%d , ppid=%d\n",getpid(),getppid());
33             printf("i=%d\n",i);
34         }
35     }
36
37     exit(0);
38 }

程序执行结果如下：

从结果来看，子进程的数目不是2而是3，这是为什么呢？先简单的分析一下：从结果看出父进程ID为10669，子进程的ID分别为：10670、10671、10672。

父子进程之间的关系如下：

ID为10670的子进程也调用fork函数，创建了一个进程。因为fork函数创建的进程是父进程的一份拷贝，保存了当前的数据空间、堆、栈及共享代码区域。正确的方式应该是在子进程中跳出，停止继续fork。改进的代码如下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <string.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <errno.h>
 6 #include <sys/types.h>
 7
 8 int main()
 9 {
10     int i;
11     pid_t pid;
12     printf("pid=%d , ppid=%d\n",getpid(),getppid());
13     for(i=0;i<2;++i)
14     {
15         pid = fork();
16         if(pid == 0)
17         {
18             printf("create child process successfully.\n");
19             printf("pid=%d , ppid=%d\n",getpid(),getppid());
20             printf("i=%d\n",i);
21             //子进程跳出循环，防止子进程继续创建子进程
22             break;
23         }
24         else if(pid== -1)
25         {
26             perror("fork() error");
27             exit(-1);
28         }
29         else
30         {
31             sleep(3);
32             printf("parent process.\n");
33             printf("pid=%d , ppid=%d\n",getpid(),getppid());
34             printf("i=%d\n",i);
35             //父进程继续创建子进程
36             continue;
37         }
38     }
39
40     exit(0);
41 }

程序执行结果如下：

从结果可以看出这父进程（ID为10789）创建了两个子进程（ID分别为：10790、10791）。

现有有这样一个面试题，程序如下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <sys/types.h>
 5
 6 int main()
 7 {
 8     pid_t   pid1;
 9     pid_t   pid2;
10
11     pid1 = fork();
12     pid2 = fork();
13
14     printf("pid1=%d,pid2=%d\n",pid1,pid2);
15     exit(0);
16 }

要求如下：
 已知从这个程序执行到这个程序的所有进程结束这个时间段内，没有其它新进程执行。
 1、请说出执行这个程序后，将一共运行几个进程。
 2、如果其中一个进程的输出结果是“pid1:1001, pid2:1002”，写出其他进程的输出结果（不考虑进程执行顺序）。

　　这个题目考查fork函数的理解。fork的作用是复制一个与当前进程一样的进程。新进程的所有数据（变量、环境变量、程序计数器等）数值都和原进程一致，但是是一个全新的进程，并作为原进程的子进程，父子进程并行的执行剩下的部分。

程序的执行过程如下：

（1）程序开始执行时候系统分配一个进程进行执行，称该进程为主进程P，进程ID题目未给，

（2）主进程执行到第一个fork函数的时候，创建一个新的子进程P1，有题目可知进程ID为1001，fork函数有两个返回值，返回pid=0代表子进程P1，pid1>0代表父进程P。

（3）现在有两个进程P和P1，分别执行剩下部分，

（4）P进程（父进程，所以pid1=1001）调用fork创建子进程P2，返回两个值中pid2=1002表示P2的进程ID返回给父进程P，pid2=0子进程P2本身，所以输出pid1=1001，　　      
pid2=1002和pid1=1001，pid2=0。

（5）P1进程（子进程，所以pid1=0）调用fork创建子进程P3，进程ID类推为1003，返回两个值中pid2=1003表示P3的进程ID返回给父进程P1，pid2=0标识进程P3本身。所以输出pid1=0，pid2=1003和pid1=0，pid2=0。

（6）执行整个结束。

根据以上分析可知答案：

1、一共执行了四个进程。（P0, P1, P2, P3）

2、另外几个进程的输出分别为：

 pid1:1001, pid2:0

 pid1:0, pid2:1003

 pid1:0, pid2:0

上机测试如下：

测试结果如下：

测试结果虽然不是1001，但是可以看出理论分析过程是正确的。

题目来自：http://www.cnblogs.com/leoo2sk/archive/2009/12/11/talk-about-fork-in-linux.html