從一道面試題談linux下fork的運行機制

今天一位朋友去一個不錯的外企面試linux開發職位，面試官出了一個以下的題目：

給出以下C程序，在linux下使用gcc編譯：

#include "stdio.h"

#include "sys/types.h"

#include "unistd.h"

int main()

{

pid_t pid1;

pid_t pid2;

pid1 = fork();

pid2 = fork();

printf("pid1:%d, pid2:%d\n", pid1, pid2);

}

要求以下：

已知從這個程序執行到這個程序的全部進程結束這個時間段內，沒有其它新進程執行。

一、請說出執行這個程序後，將一共運行幾個進程。

二、若是其中一個進程的輸出結果是「pid1:1001, pid2:1002」，寫出其餘進程的輸出結果（不考慮進程執行順序）。

明顯這道題的目的是考察linux下fork的執行機制。下面咱們經過分析這個題目，談談linux下fork的運行機制。

預備知識

這裏先列出一些必要的預備知識，對linux下進程機制比較熟悉的朋友能夠略過。

一、進程能夠看作程序的一次執行過程。在linux下，每一個進程有惟一的PID標識進程。PID是一個從1到32768的正整數，其中1通常是特殊進程init，其它進程從2開始依次編號。當用完32768後，從2從新開始。

二、linux中有一個叫進程表的結構用來存儲當前正在運行的進程。可使用「ps aux」命令查看全部正在運行的進程。

三、進程在linux中呈樹狀結構，init爲根節點，其它進程均有父進程，某進程的父進程就是啓動這個進程的進程，這個進程叫作父進程的子進程。

四、fork的做用是複製一個與當前進程同樣的進程。新進程的全部數據（變量、環境變量、程序計數器等）數值都和原進程一致，可是是一個全新的進程，並做爲原進程的子進程。

解題的關鍵

有了上面的預備知識，咱們再來看看解題的關鍵。我認爲，解題的關鍵就是要認識到fork將程序切成兩段。看下圖：

上圖表示一個含有fork的程序，而fork語句能夠當作將程序切爲A、B兩個部分。而後整個程序會以下運行：

step一、設由shell直接執行程序，生成了進程P。P執行完Part. A的全部代碼。

step二、當執行到pid = fork();時，P啓動一個進程Q，Q是P的子進程，和P是同一個程序的進程。Q繼承P的全部變量、環境變量、程序計數器的當前值。

step三、在P進程中，fork()將Q的PID返回給變量pid，並繼續執行Part. B的代碼。

step四、在進程Q中，將0賦給pid，並繼續執行Part. B的代碼。

這裏有三個點很是關鍵:

一、P執行了全部程序，而Q只執行了Part. B，即fork()後面的程序。（這是由於Q繼承了P的PC-程序計數器）

二、Q繼承了fork()語句執行時當前的環境，而不是程序的初始環境。

三、P中fork()語句啓動子進程Q，並將Q的PID返回，而Q中的fork()語句不啓動新進程，僅將0返回。

解題

下面利用上文闡述的知識進行解題。這裏我把兩個問題放在一塊兒進行分析。

一、從shell中執行此程序，啓動了一個進程，咱們設這個進程爲P0，設其PID爲XXX（解題過程不需知道其PID）。

二、當執行到pid1 = fork();時，P0啓動一個子進程P1，由題目知P1的PID爲1001。咱們暫且無論P1。

三、P0中的fork返回1001給pid1，繼續執行到pid2 = fork();，此時啓動另外一個新進程，設爲P2，由題目知P2的PID爲1002。一樣暫且無論P2。

四、P0中的第二個fork返回1002給pid2，繼續執行完後續程序，結束。因此，P0的結果爲「pid1:1001, pid2:1002」。

五、再看P2，P2生成時，P0中pid1=1001，因此P2中pid1繼承P0的1001，而做爲子進程pid2=0。P2從第二個fork後開始執行，結束後輸出「pid1:1001, pid2:0」。

六、接着看P1，P1中第一條fork返回0給pid1，而後接着執行後面的語句。然後面接着的語句是pid2 = fork();執行到這裏，P1又產生了一個新進程，設爲P3。先無論P3。

七、P1中第二條fork將P3的PID返回給pid2，由預備知識知P3的PID爲1003，因此P1的pid2=1003。P1繼續執行後續程序，結束，輸出「pid1:0, pid2:1003」。

八、P3做爲P1的子進程，繼承P1中pid1=0，而且第二條fork將0返回給pid2，因此P3最後輸出「pid1:0, pid2:0」。

九、至此，整個執行過程完畢。

所得答案：

一、一共執行了四個進程。（P0, P1, P2, P3）

二、另外幾個進程的輸出分別爲：

pid1:1001, pid2:0

pid1:0, pid2:1003

pid1:0, pid2:0

進一步能夠給出一個以P0爲根的進程樹：

驗證

下面咱們去linux下實際執行這個程序，來驗證咱們的答案。

程序以下圖：

用gcc編譯、執行後結果以下：

因爲咱們不太可能剛巧碰上PID分配到1001的狀況，因此具體數值可能和答案有所差異。不過將這裏的2710看作基數的話，結果和咱們上面的解答是一致的。

總結

應該說這不是一道特別難或特別刁鑽的題目，可是因爲fork函數運行機制的複雜性，造就了當兩個fork並排時，問題就變得很複雜。解這個題的關鍵，一是要對linux下進程的機制有必定認識，二是抓住上文提到的幾個關於fork的關鍵點。朋友說，這個題給的時間是5分鐘，應該說時間還算充裕，可是在面試的場合下，仍是很考驗一我的對進程、fork的掌握程度和現場推理能力。

但願本文能幫助朋友們對fork的執行機制有一個明晰的認識。