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C語(yǔ)言的fork函數(shù)在Linux中的進(jìn)程操作及相關(guān)面試題講解

更新時(shí)間：2016年06月08日 15:26:41 作者：左耳朵耗子

fork函數(shù)只能在類(lèi)Unix的系統(tǒng)中使用,用于創(chuàng)建子線程,這里總結(jié)了C語(yǔ)言的fork函數(shù)在Linux中的進(jìn)程操作及相關(guān)面試題講解,先來(lái)看一下C語(yǔ)言程序的存儲(chǔ)空間與進(jìn)程示意:

fork的意義

下圖為，C 程序的存儲(chǔ)空間布局（典型）

201668151756571.png (398×368)

1.一個(gè)現(xiàn)有進(jìn)程可以調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。
2.fork 函數(shù)被調(diào)用一次，但返回兩次，兩次返回的唯一區(qū)別是子進(jìn)程的返回值是 0, 而父進(jìn)程的返回值是新子進(jìn)程的 PID。
3.子進(jìn)程和父進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行 fork 調(diào)用之后的指令。
在上圖的存儲(chǔ)空間布局中，父子進(jìn)程只共享正文段，其余的都各自有獨(dú)立的副本（通常使用 copy-on-write 的策略，速度比較快）。

fork 的兩種用法
1.父子進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行不同的代碼段
典型應(yīng)用：Web 服務(wù)器。
以下代碼是簡(jiǎn)單的 fork 父子進(jìn)程分別執(zhí)行不同的代碼：

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

#define err_sys(x) do { perror(x); exit(1); } while (0)

void invoke_child(char ch)
{
  printf("%c\n", ch);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  pid_t  pid;

  int   cnt = 3;
  char  arg[] = "abc";
  while(cnt--) {
    if ((pid = fork()) < 0) {
      err_sys("Fork error");
    } else if (pid == 0) {
      invoke_child(arg[cnt]);
      exit(0);
    }
  }

  return 0;
}

2.一個(gè)進(jìn)程要執(zhí)行一個(gè)不同的程序
典型應(yīng)用：Shell。
這里就不舉例子了~

關(guān)于fork的一道面試題
題目：請(qǐng)問(wèn)下面的程序一共輸出多少個(gè)“-”？

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int main(void)
{
  int i;
  for(i=0; i<2; i++){
   fork();
   printf("-");
  }
 
  return 0;
}

如果你對(duì)fork()的機(jī)制比較熟悉的話，這個(gè)題并不難，輸出應(yīng)該是6個(gè)“-”，但是，實(shí)際上這個(gè)程序會(huì)很tricky地輸出8個(gè)“-”。

要講清這個(gè)題，我們首先需要知道fork()系統(tǒng)調(diào)用的特性，

1.fork()系統(tǒng)調(diào)用是Unix下以自身進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用，一次調(diào)用，兩次返回，如果返回是0，則是子進(jìn)程，如果返回值>0，則是父進(jìn)程（返回值是子進(jìn)程的pid），這是眾為周知的。

2.還有一個(gè)很重要的東西是，在fork()的調(diào)用處，整個(gè)父進(jìn)程空間會(huì)原模原樣地復(fù)制到子進(jìn)程中，包括指令，變量值，程序調(diào)用棧，環(huán)境變量，緩沖區(qū)，等等。

所以，上面的那個(gè)程序?yàn)槭裁磿?huì)輸入8個(gè)“-”，這是因?yàn)閜rintf(“-”);語(yǔ)句有buffer，所以，對(duì)于上述程序，printf(“-”);把“-”放到了緩存中，并沒(méi)有真正的輸出（參看《C語(yǔ)言的迷題》中的第一題），在fork的時(shí)候，緩存被復(fù)制到了子進(jìn)程空間，所以，就多了兩個(gè)，就成了8個(gè)，而不是6個(gè)。

另外，多說(shuō)一下，我們知道，Unix下的設(shè)備有“塊設(shè)備”和“字符設(shè)備”的概念，所謂塊設(shè)備，就是以一塊一塊的數(shù)據(jù)存取的設(shè)備，字符設(shè)備是一次存取一個(gè)字符的設(shè)備。磁盤(pán)、內(nèi)存都是塊設(shè)備，字符設(shè)備如鍵盤(pán)和串口。塊設(shè)備一般都有緩存，而字符設(shè)備一般都沒(méi)有緩存。

對(duì)于上面的問(wèn)題，我們?nèi)绻薷囊幌律厦娴膒rintf的那條語(yǔ)句為：

printf("-n");

或是

printf("-");
fflush(stdout);

就沒(méi)有問(wèn)題了（就是6個(gè)“-”了），因?yàn)槌绦蛴龅健皀”，或是EOF，或是緩中區(qū)滿，或是文件描述符關(guān)閉，或是主動(dòng)flush，或是程序退出，就會(huì)把數(shù)據(jù)刷出緩沖區(qū)。需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)輸出是行緩沖，所以遇到“n”的時(shí)候會(huì)刷出緩沖區(qū)，但對(duì)于磁盤(pán)這個(gè)塊設(shè)備來(lái)說(shuō)，“n”并不會(huì)引起緩沖區(qū)刷出的動(dòng)作，那是全緩沖，你可以使用setvbuf來(lái)設(shè)置緩沖區(qū)大小，或是用fflush刷緩存。

我估計(jì)有些朋友可能對(duì)于fork()還不是很了解，那么我們把上面的程序改成下面這樣：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
  int i;
  for(i=0; i<2; i++){
   fork();
   //注意：下面的printf有“n”
   printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d n", getppid(), getpid(), i);
  }
  sleep(10); //讓進(jìn)程停留十秒，這樣我們可以用pstree查看一下進(jìn)程樹(shù)
  return 0;
}

于是，上面這段程序會(huì)輸出下面的結(jié)果，（注：編譯出的可執(zhí)行的程序名為fork）

ppid=8858, pid=8518, i=0
ppid=8858, pid=8518, i=1
ppid=8518, pid=8519, i=0
ppid=8518, pid=8519, i=1
ppid=8518, pid=8520, i=1
ppid=8519, pid=8521, i=1

$ pstree -p | grep fork

|-bash(8858)-+-fork(8518)-+-fork(8519)---fork(8521)

面對(duì)這樣的圖你可能還是看不懂，沒(méi)事，我好事做到底，畫(huà)個(gè)圖給你看看：

201668151954231.jpg (620×407)

注意：上圖中的我用了幾個(gè)色彩，相同顏色的是同一個(gè)進(jìn)程。于是，我們的pstree的圖示就可以成為下面這個(gè)樣子：（下圖中的顏色與上圖對(duì)應(yīng)）

201668152014108.jpg (437×97)

這樣，對(duì)于printf(“-”);這個(gè)語(yǔ)句，我們就可以很清楚的知道，哪個(gè)子進(jìn)程復(fù)制了父進(jìn)程標(biāo)準(zhǔn)輸出緩中區(qū)里的的內(nèi)容，而導(dǎo)致了多次輸出了。（如下圖所示，就是我陰影并雙邊框了那兩個(gè)子進(jìn)程）

201668152030730.jpg (626×415)