Linux中使用C語言的fork()函數(shù)創(chuàng)建子進程的實例教程
一、fork入門知識
一個進程,包括代碼、數(shù)據(jù)和分配給進程的資源。fork()函數(shù)通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個與原來進程幾乎完全相同的進程,也就是兩個進程可以做完全相同的事,但如果初始參數(shù)或者傳入的變量不同,兩個進程也可以做不同的事。
一個進程調(diào)用fork()函數(shù)后,系統(tǒng)先給新的進程分配資源,例如存儲數(shù)據(jù)和代碼的空間。然后把原來的進程的所有值都復制到新的新進程中,只有少數(shù)值與原來的進程的值不同。相當于克隆了一個自己。
我們來看一個例子:
#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main () { pid_t fpid; //fpid表示fork函數(shù)返回的值 int count=0; fpid=fork(); if (fpid < 0) printf("error in fork!"); else if (fpid == 0) { printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid()); printf("我是爹的兒子/n");//對某些人來說中文看著更直白。 count++; } else { printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid()); printf("我是孩子他爹/n"); count++; } printf("統(tǒng)計結(jié)果是: %d/n",count); return 0; }
運行結(jié)果是:
i am the child process, my process id is 5574 我是爹的兒子 統(tǒng)計結(jié)果是: 1 i am the parent process, my process id is 5573 我是孩子他爹 統(tǒng)計結(jié)果是: 1
在語句fpid=fork()之前,只有一個進程在執(zhí)行這段代碼,但在這條語句之后,就變成兩個進程在執(zhí)行了,這兩個進程的幾乎完全相同,將要執(zhí)行的下一條語句都是if(fpid<0)……
為什么兩個進程的fpid不同呢,這與fork函數(shù)的特性有關(guān)。fork調(diào)用的一個奇妙之處就是它僅僅被調(diào)用一次,卻能夠返回兩次,它可能有三種不同的返回值:
1)在父進程中,fork返回新創(chuàng)建子進程的進程ID;
2)在子進程中,fork返回0;
3)如果出現(xiàn)錯誤,fork返回一個負值;
在fork函數(shù)執(zhí)行完畢后,如果創(chuàng)建新進程成功,則出現(xiàn)兩個進程,一個是子進程,一個是父進程。在子進程中,fork函數(shù)返回0,在父進程中,fork返回新創(chuàng)建子進程的進程ID。我們可以通過fork返回的值來判斷當前進程是子進程還是父進程。
引用一位網(wǎng)友的話來解釋fpid的值為什么在父子進程中不同?!捌鋵嵕拖喈斢阪湵?,進程形成了鏈表,父進程的fpid(p 意味point)指向子進程的進程id, 因為子進程沒有子進程,所以其fpid為0.
fork出錯可能有兩種原因:
1)當前的進程數(shù)已經(jīng)達到了系統(tǒng)規(guī)定的上限,這時errno的值被設置為EAGAIN。
2)系統(tǒng)內(nèi)存不足,這時errno的值被設置為ENOMEM。
創(chuàng)建新進程成功后,系統(tǒng)中出現(xiàn)兩個基本完全相同的進程,這兩個進程執(zhí)行沒有固定的先后順序,哪個進程先執(zhí)行要看系統(tǒng)的進程調(diào)度策略。
每個進程都有一個獨特(互不相同)的進程標識符(process ID),可以通過getpid()函數(shù)獲得,還有一個記錄父進程pid的變量,可以通過getppid()函數(shù)獲得變量的值。
fork執(zhí)行完畢后,出現(xiàn)兩個進程,
有人說兩個進程的內(nèi)容完全一樣啊,怎么打印的結(jié)果不一樣啊,那是因為判斷條件的原因,上面列舉的只是進程的代碼和指令,還有變量啊。
執(zhí)行完fork后,進程1的變量為count=0,fpid!=0(父進程)。進程2的變量為count=0,fpid=0(子進程),這兩個進程的變量都是獨立的,存在不同的地址中,不是共用的,這點要注意。可以說,我們就是通過fpid來識別和操作父子進程的。
還有人可能疑惑為什么不是從#include處開始復制代碼的,這是因為fork是把進程當前的情況拷貝一份,執(zhí)行fork時,進程已經(jīng)執(zhí)行完了int count=0;fork只拷貝下一個要執(zhí)行的代碼到新的進程。
二、fork進階知識
先看一份代碼:
#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main(void) { int i=0; printf("i son/pa ppid pid fpid/n"); //ppid指當前進程的父進程pid //pid指當前進程的pid, //fpid指fork返回給當前進程的值 for(i=0;i<2;i++){ pid_t fpid=fork(); if(fpid==0) printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); else printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); } return 0; }
運行結(jié)果是:
i son/pa ppid pid fpid 0 parent 2043 3224 3225 0 child 3224 3225 0 1 parent 2043 3224 3226 1 parent 3224 3225 3227 1 child 1 3227 0 1 child 1 3226 0
這份代碼比較有意思,我們來認真分析一下:
第一步:在父進程中,指令執(zhí)行到for循環(huán)中,i=0,接著執(zhí)行fork,fork執(zhí)行完后,系統(tǒng)中出現(xiàn)兩個進程,分別是p3224和p3225(后面我都用pxxxx表示進程id為xxxx的進程)??梢钥吹礁高M程p3224的父進程是p2043,子進程p3225的父進程正好是p3224。我們用一個鏈表來表示這個關(guān)系:
p2043->p3224->p3225
第一次fork后,p3224(父進程)的變量為i=0,fpid=3225(fork函數(shù)在父進程中返向子進程id),代碼內(nèi)容為:
for(i=0;i<2;i++){ pid_t fpid=fork();//執(zhí)行完畢,i=0,fpid=0 if(fpid==0) printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); else printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); } return 0;
所以打印出結(jié)果:
0 parent 2043 3224 3225 0 child 3224 3225 0
第二步:假設父進程p3224先執(zhí)行,當進入下一個循環(huán)時,i=1,接著執(zhí)行fork,系統(tǒng)中又新增一個進程p3226,對于此時的父進程,p2043->p3224(當前進程)->p3226(被創(chuàng)建的子進程)。
對于子進程p3225,執(zhí)行完第一次循環(huán)后,i=1,接著執(zhí)行fork,系統(tǒng)中新增一個進程p3227,對于此進程,p3224->p3225(當前進程)->p3227(被創(chuàng)建的子進程)。從輸出可以看到p3225原來是p3224的子進程,現(xiàn)在變成p3227的父進程。父子是相對的,這個大家應該容易理解。只要當前進程執(zhí)行了fork,該進程就變成了父進程了,就打印出了parent。
所以打印出結(jié)果是:
1 parent 2043 3224 3226 1 parent 3224 3225 3227
第三步:第二步創(chuàng)建了兩個進程p3226,p3227,這兩個進程執(zhí)行完printf函數(shù)后就結(jié)束了,因為這兩個進程無法進入第三次循環(huán),無法fork,該執(zhí)行return 0;了,其他進程也是如此。
以下是p3226,p3227打印出的結(jié)果:
1 child 1 3227 0 1 child 1 3226 0
細心的讀者可能注意到p3226,p3227的父進程難道不該是p3224和p3225嗎,怎么會是1呢?這里得講到進程的創(chuàng)建和死亡的過程,在p3224和p3225執(zhí)行完第二個循環(huán)后,main函數(shù)就該退出了,也即進程該死亡了,因為它已經(jīng)做完所有事情了。p3224和p3225死亡后,p3226,p3227就沒有父進程了,這在操作系統(tǒng)是不被允許的,所以p3226,p3227的父進程就被置為p1了,p1是永遠不會死亡的,至于為什么,這里先不介紹,留到“三、fork高階知識”講。
總結(jié)一下,這個程序執(zhí)行的流程如下:
這個程序最終產(chǎn)生了3個子進程,執(zhí)行過6次printf()函數(shù)。
我們再來看一份代碼:
#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main(void) { int i=0; for(i=0;i<3;i++){ pid_t fpid=fork(); if(fpid==0) printf("son/n"); else printf("father/n"); } return 0; }
它的執(zhí)行結(jié)果是:
father son father father father father son son father son son son father son
這里就不做詳細解釋了,只做一個大概的分析。
for i=0 1 2 father father father son son father son son father father son son father son
其中每一行分別代表一個進程的運行打印結(jié)果。
總結(jié)一下規(guī)律,對于這種N次循環(huán)的情況,執(zhí)行printf函數(shù)的次數(shù)為2*(1+2+4+……+2N)次,創(chuàng)建的子進程數(shù)為1+2+4+……+2N個。
網(wǎng)上有人說N次循環(huán)產(chǎn)生2*(1+2+4+……+2N)個進程,這個說法是不對的,希望大家需要注意。
同時,大家如果想測一下一個程序中到底創(chuàng)建了幾個子進程,最好的方法就是調(diào)用printf函數(shù)打印該進程的pid,也即調(diào)用printf("%d/n",getpid());或者通過printf("+/n");來判斷產(chǎn)生了幾個進程。有人想通過調(diào)用printf("+");來統(tǒng)計創(chuàng)建了幾個進程,這是不妥當?shù)?。具體原因我來分析。
老規(guī)矩,大家看一下下面的代碼: #include <unistd.h> #include <stdio.h> int main() { pid_t fpid;//fpid表示fork函數(shù)返回的值 //printf("fork!"); printf("fork!/n"); fpid = fork(); if (fpid < 0) printf("error in fork!"); else if (fpid == 0) printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid()); else printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid()); return 0; }執(zhí)行結(jié)果如下:
fork! I am the parent process, my process id is 3361 I am the child process, my process id is 3362
則新的程序的執(zhí)行結(jié)果是:
fork!I am the parent process, my process id is 3298 fork!I am the child process, my process id is 3299
這就跟printf的緩沖機制有關(guān)了,printf某些內(nèi)容時,操作系統(tǒng)僅僅是把該內(nèi)容放到了stdout的緩沖隊列里了,并沒有實際的寫到屏幕上。但是,只要看到有/n 則會立即刷新stdout,因此就馬上能夠打印了。
運行了printf("fork!")后,“fork!”僅僅被放到了緩沖里,程序運行到fork時緩沖里面的“fork!” 被子進程復制過去了。因此在子進程度stdout緩沖里面就也有了fork! 。所以,你最終看到的會是fork! 被printf了2次?。。?!
而運行printf("fork! /n")后,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子進程里的stdout緩沖里不會有fork! 內(nèi)容。因此你看到的結(jié)果會是fork! 被printf了1次!?。?!
所以說printf("+");不能正確地反應進程的數(shù)量。
大家看了這么多可能有點疲倦吧,不過我還得貼最后一份代碼來進一步分析fork函數(shù)。
#include <stdio.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char* argv[]) { fork(); fork() && fork() || fork(); fork(); return 0; }
問題是不算main這個進程自身,程序到底創(chuàng)建了多少個進程。
為了解答這個問題,我們先做一下弊,先用程序驗證一下,到此有多少個進程。
答案是總共20個進程,除去main進程,還有19個進程。
我們再來仔細分析一下,為什么是還有19個進程。
第一個fork和最后一個fork肯定是會執(zhí)行的。
主要在中間3個fork上,可以畫一個圖進行描述。
這里就需要注意&&和||運算符。
A&&B,如果A=0,就沒有必要繼續(xù)執(zhí)行&&B了;A非0,就需要繼續(xù)執(zhí)行&&B。
A||B,如果A非0,就沒有必要繼續(xù)執(zhí)行||B了,A=0,就需要繼續(xù)執(zhí)行||B。
fork()對于父進程和子進程的返回值是不同的,按照上面的A&&B和A||B的分支進行畫圖,可以得出5個分支。
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