Linux進程建立之fork淺析

  在Linux 內核中，無時無刻不維護着進程，從進程的建立到進程銷燬，每個環境都有着複雜的細節。本篇介紹Linux 內核如何建立進程，深刻理解 fork 函數以及子進程的建立，對理解多進程開發也相當重要。

目錄

• fork() 函數
• fork() 示例
• 父子進程的虛擬地址空間

fork() 函數

  首先來看下fork() 函數，其做用是建立子進程。頭文件與函數原型以下

#include <unistd.h>

// 參數	： void 
// 返回值： pid_t 建立的子進程ID
pid_t fork(void);

  返回值：fork() 返回值會返回兩次，分別在父進程和子進程中返回。

1. 在父進程中返回子進程的ID，在子進程中返回0。因此能夠經過fork 的返回值來區分父進程與子進程。
2. 在父進程中返回 -1 ，表示建立子進程失敗，並設置 errorno。以下面兩種狀況致使建立失敗：

• 當前系統的進程數已經達到了系統規定的上限，這時 errno 的值被設置爲EAGAIN
• 系統內存不足，這時 errno 的值被設置爲 ENOMEM

fork() 示例

下面建立一個子進程，來講明父進程與子進程的執行順序。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>


int main(){
	// 建立進程
	pid_t pid = fork();

	// 判斷當前進程是父進程 仍是子進程
	if (pid > 0){			// 進程號 > 0，即爲子進程的進程號，當前爲父進程
		printf("pid: %d\n", pid);
		printf("I am parent process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
	}
	else if (pid == 0){		// 進程號 == 0，表示當前爲子進程
		printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
	}
	
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		printf("pid: %d, i : %d\n", getpid(), i);
        sleep(1);
	}
	return 0;
}

  編譯執行，能夠看到，子進程建立成功，兩個進程同時執行，父進程ID 爲412552，子進程ID爲512553，因爲sleep() 函數，使得函數阻塞，因此父進程與子進程交替執行。

父子進程的虛擬地址空間

  經過 fork函數建立進程後，能夠經過返回值判斷是父進程仍是子進程。對於父進程與子進程如何執行，下面介紹fork函數調用後，父子進程如何執行，在進程中虛擬地址空間中如何體現。

  
  首先，咱們先看一下上述示例的執行順序，父進程執行執行fork後，返回子進程ID，pid 大於0，因此輸出 if(pid>0) 的內容。

  子進程在建立成功後，在子進程中返回 0，從當前位置開始執行，因此 pid=0 會輸出 else 語句。

 

  對於虛擬空間地址來講，子進程會拷貝父進程的虛擬地址空間。因此，fork後子進程的用戶區與父進程的用戶區相同，也會拷貝內核區內容，僅僅是進程的 pid不一樣。

  對於父進程中的棧空間的變量，也會原封不動的拷貝至子進程的棧空間中。但這兩個變量互不影響，父進程改變變量不會影響子進程變量。看以下程序展現父子進程中棧空間變量的使用。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>


int main(){
	// 建立進程
	pid_t pid = fork();

	// 局部變量
	int num = 10;

	// 判斷當前進程是父進程 仍是子進程
	if (pid > 0){			// 進程號 > 0，即爲子進程的進程號，當前爲父進程
		printf("I am parent process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());

		printf("parent process num : %d\n", num);
		num += 10;
		printf("parent process num + 10 : %d\n", num);

	}
	else if (pid == 0){		// 進程號 == 0，表示當前爲子進程
		printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());

		printf("child process num : %d\n", num);
		num += 100;
		printf("child process num + 100 : %d\n", num);
	}
	
	return 0;
}

編譯執行，能夠看到，父進程中的局部變量num 與子進程的局部變量互不影響。

  
讀時共享，寫時拷貝技術
  實際上，準確的來講，Linux的fork 是經過 寫時拷貝 (copy-on-write)實現。寫時拷貝是一種能夠推遲甚至不用避免拷貝的技術。更具體來說，在執行fork語句後，內核並不複製父進程的整個地址空間，而是父子進程共享父進程的地址空間（此時父子進程對於地址空間是隻讀指令），在父進程或者子進程進行寫指令時，子進程纔會複製一份地址空間，從而使得父子進程擁有本身的虛擬地址空間，在本身的地址空間進行寫操做。也就是說，資源的複製是在須要寫入時纔會進行，在此以前，只會以只讀方式進行共享。
 

  對於文件資源，fork以後的父子進程共享文件，fork以後的父進程與子進程的文件描述符表指向相同的文件表，引用計數增長，共享文件偏移指針。

  fork函數就介紹到這裏了，本篇介紹了建立子進程的過程，理解父子進程間虛擬地址空間的共享與複製。在多線程開發中，能夠輕鬆分析父子進程的執行順序與內存共享。
 
 

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