使用C語言的fork()函數(shù)在Linux中創(chuàng)建進(jìn)程的實(shí)例講解
在Linux中創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程的唯一方法是使用fork()函數(shù)。fork()函數(shù)是Linux中一個(gè)非常重要的函數(shù)，和以往遇到的函數(shù)有一些區(qū)別，因?yàn)閒ork()函數(shù)看起來執(zhí)行一次卻返回兩個(gè)值。
fork()函數(shù)用于從已存在的進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。新進(jìn)程稱為子進(jìn)程，而園進(jìn)程稱為父進(jìn)程。使用fork()函數(shù)得到的子進(jìn)程是父進(jìn)程的一個(gè)復(fù)制品，它從父進(jìn)程處繼承了整個(gè)進(jìn)程的地址空間，包括進(jìn)程的上下文、代碼段、進(jìn)程堆棧、內(nèi)存信息、打開的文件描述符、符號控制設(shè)定、進(jìn)程優(yōu)先級、進(jìn)程組號、當(dāng)前工作目錄、根目錄、資源限制和控制終端等，而子進(jìn)程所獨(dú)有的只有它的進(jìn)程號、資源使用和計(jì)時(shí)器等。
因?yàn)樽舆M(jìn)程幾乎是父進(jìn)程的完全復(fù)制，所以父子兩進(jìn)程會運(yùn)行同一個(gè)程序。這就需要用一種方式來區(qū)分它們，并使它們照此運(yùn)行，否則，這兩個(gè)進(jìn)程不可能做不同的事。實(shí)際上是在父進(jìn)程中執(zhí)行fork()函數(shù)時(shí)，父進(jìn)程會復(fù)制一個(gè)子進(jìn)程，而且父子進(jìn)程的代碼從fork()函數(shù)的返回開始分別在兩個(gè)地址空間中同時(shí)運(yùn)行，從而使兩個(gè)進(jìn)程分別獲得所屬fork()函數(shù)的返回值，其中在父進(jìn)程中的返回值是子進(jìn)程的進(jìn)程號，而在子進(jìn)程中返回0。因此，可以通過返回值來判斷該進(jìn)程的父進(jìn)程還是子進(jìn)程。
同時(shí)可以看出，使用fork()函數(shù)的代價(jià)是很大的，它復(fù)制了父進(jìn)程中的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段里的大部分內(nèi)容，使得fork()函數(shù)的系統(tǒng)開銷比較大，而且執(zhí)行速度也不是很快。
fork()函數(shù)語法
fork()函數(shù)出錯(cuò)可能有兩種原因：
1、當(dāng)前的進(jìn)程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了系統(tǒng)規(guī)定的上限，這時(shí)errno的值被設(shè)置為EAGAIN
2、系統(tǒng)內(nèi)存不足，這時(shí)errno的值被設(shè)置為ENOMEM
示例
下面的是csapp.h頭文件，后面的討論中均只用該頭文件來完成程序的編寫。
/* $begin csapp.h */
#ifndef __CSAPP_H__
#define __CSAPP_H__
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <setjmp.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <math.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
/* Default file permissions are DEF_MODE & ~DEF_UMASK */
/* $begin createmasks */
#define DEF_MODE S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH
#define DEF_UMASK S_IWGRP|S_IWOTH
/* $end createmasks */
/* Simplifies calls to bind(), connect(), and accept() */
/* $begin sockaddrdef */
typedef struct sockaddr SA;
/* $end sockaddrdef */
/* Persistent state for the robust I/O (Rio) package */
/* $begin rio_t */
#define RIO_BUFSIZE 8192
typedef struct {
int rio_fd; /* Descriptor for this internal buf */
int rio_cnt; /* Unread bytes in internal buf */
char *rio_bufptr; /* Next unread byte in internal buf */
char rio_buf[RIO_BUFSIZE]; /* Internal buffer */
} rio_t;
/* $end rio_t */
/* External variables */
extern int h_errno; /* Defined by BIND for DNS errors */
extern char **environ; /* Defined by libc */
/* Misc constants */
#define MAXLINE 8192 /* Max text line length */
#define MAXBUF 8192 /* Max I/O buffer size */
#define LISTENQ 1024 /* Second argument to listen() */
/* Our own error-handling functions */
void unix_error(char *msg);
void posix_error(int code, char *msg);
void dns_error(char *msg);
void app_error(char *msg);
/* Process control wrappers */
pid_t Fork(void);
void Execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);
pid_t Wait(int *status);
pid_t Waitpid(pid_t pid, int *iptr, int options);
void Kill(pid_t pid, int signum);
unsigned int Sleep(unsigned int secs);
void Pause(void);
unsigned int Alarm(unsigned int seconds);
void Setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);
pid_t Getpgrp();
/* Signal wrappers */
typedef void handler_t(int);
handler_t *Signal(int signum, handler_t *handler);
void Sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
void Sigemptyset(sigset_t *set);
void Sigfillset(sigset_t *set);
void Sigaddset(sigset_t *set, int signum);
void Sigdelset(sigset_t *set, int signum);
int Sigismember(const sigset_t *set, int signum);
/* Unix I/O wrappers */
int Open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
ssize_t Read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t Write(int fd, const void *buf, size_t count);
off_t Lseek(int fildes, off_t offset, int whence);
void Close(int fd);
int Select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);
int Dup2(int fd1, int fd2);
void Stat(const char *filename, struct stat *buf);
void Fstat(int fd, struct stat *buf) ;
/* Memory mapping wrappers */
void *Mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
void Munmap(void *start, size_t length);
/* Standard I/O wrappers */
void Fclose(FILE *fp);
FILE *Fdopen(int fd, const char *type);
char *Fgets(char *ptr, int n, FILE *stream);
FILE *Fopen(const char *filename, const char *mode);
void Fputs(const char *ptr, FILE *stream);
size_t Fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
void Fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
/* Dynamic storage allocation wrappers */
void *Malloc(size_t size);
void *Realloc(void *ptr, size_t size);
void *Calloc(size_t nmemb, size_t size);
void Free(void *ptr);
/* Sockets interface wrappers */
int Socket(int domain, int type, int protocol);
void Setsockopt(int s, int level, int optname, const void *optval, int optlen);
void Bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
void Listen(int s, int backlog);
int Accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
void Connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);
/* DNS wrappers */
struct hostent *Gethostbyname(const char *name);
struct hostent *Gethostbyaddr(const char *addr, int len, int type);
/* Pthreads thread control wrappers */
void Pthread_create(pthread_t *tidp, pthread_attr_t *attrp,
void * (*routine)(void *), void *argp);
void Pthread_join(pthread_t tid, void **thread_return);
void Pthread_cancel(pthread_t tid);
void Pthread_detach(pthread_t tid);
void Pthread_exit(void *retval);
pthread_t Pthread_self(void);
void Pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_function)());
/* POSIX semaphore wrappers */
void Sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
void P(sem_t *sem);
void V(sem_t *sem);
/* Rio (Robust I/O) package */
ssize_t rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n);
ssize_t rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n);
void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd);
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);
ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen);
/* Wrappers for Rio package */
ssize_t Rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n);
void Rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n);
void Rio_readinitb(rio_t *rp, int fd);
ssize_t Rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);
ssize_t Rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen);
/* Client/server helper functions */
int open_clientfd(char *hostname, int portno);
int open_listenfd(int portno);
/* Wrappers for client/server helper functions */
int Open_clientfd(char *hostname, int port);
int Open_listenfd(int port);
#endif /* __CSAPP_H__ */
/* $end csapp.h */
fork()函數(shù)示例一
#include "csapp.h"
int main()
{
pid_t pid;
int x=1;
pid=fork();
if(pid==0) {
printf("child :x=%d\n",++x);
exit(0);
}
printf("parent:x=%d\n",--x);
exit(0);
}
例如上面的程序，由于fork()函數(shù)比較特殊，執(zhí)行一次，返回兩次。返回兩次分別是在父進(jìn)程和子進(jìn)程中各返回一個(gè)值，在子進(jìn)程中返回為0，在父進(jìn)程中返回進(jìn)程ID，一般為正整數(shù)即非零。這樣就能根據(jù)返回值來確定其在哪個(gè)進(jìn)程中了。如上面的程序，子進(jìn)程中pid=0，所以執(zhí)行if語句，子進(jìn)程會共享父進(jìn)程的文本/數(shù)據(jù)/bss段/堆以及用戶棧，子進(jìn)程隨后正常終止并且返回碼為0，因此子進(jìn)程不執(zhí)行后續(xù)的共享代碼塊，因此本程序的輸出結(jié)果是
parent:x=0
child :x=2
fork()函數(shù)示例二
#include "csapp.h"
int main()
{
if(fork()==0) {
printf("a");
}
else {
printf("b");
waitpid(-1,NULL,0);
}
printf("c");
exit(0);
}
此程序是用來檢驗(yàn)子進(jìn)程與父進(jìn)程的關(guān)系。同樣再次強(qiáng)調(diào)一遍，fork()函數(shù)用于新建子進(jìn)程，子進(jìn)程具有與父進(jìn)程相同的用戶級虛擬地址空間，包括文本/數(shù)據(jù)/bss段/堆/用戶棧，子進(jìn)程可以讀寫任意父進(jìn)程打開的文件，它們的最大區(qū)別是它們有不同的PID。fork函數(shù)調(diào)用一次，返回兩次，一次在父進(jìn)程中，其返回子進(jìn)程的PID；在子進(jìn)程中，fork返回0，因?yàn)樽舆M(jìn)程的PID總是非零的，返回值就提供了一個(gè)明確的方法來辨別是在父進(jìn)程中執(zhí)行還是在子進(jìn)程中執(zhí)行。waitpid()函數(shù)是等待子進(jìn)程終止，若無錯(cuò)誤，則返回值為正數(shù)。因?yàn)樵谠谧舆M(jìn)程中，fork()返回0，因此先輸出a，并且其共享父進(jìn)程的代碼段，故又輸出c；而在父進(jìn)程中，fork()返回值非零，所以執(zhí)行else語句，故輸出bc。因此本程序的輸出結(jié)果為
acbc
fork()函數(shù)示例三
#include "csapp.h"
int main()
{
int x=1;
if(fork()==0)
printf("printf1:x=%d\n",++x);
printf("printf2:x=%d\n",--x);
exit(0);
}
本程序再次演示子進(jìn)程與父進(jìn)程的區(qū)別。程序中，在子進(jìn)程中，子進(jìn)程共享數(shù)據(jù)x=1，并且fork()返回0，因此if語句被執(zhí)行，輸出printf1:x=2,接著共享后面一部分代碼段，因此再輸出printf2:x=1；而對于父進(jìn)程，fork()返回非零，因此不會執(zhí)行if語句段，而執(zhí)行后面的代碼，即輸出printf2:x=0.因此本程序輸出結(jié)果為（子進(jìn)程與父進(jìn)程順序不唯一）
printf2:x=0 printf1:x=2 printf2:x=1
fork()函數(shù)示例四
#include "csapp.h"
#define N 3
int main()
{
int status,i;
pid_t pid;
for(i=0;i<N;i++)
if((pid=fork())==0) //新建子進(jìn)程
exit(100+i);
while((pid=waitpid(-1,&status,0))>0) { //如果子進(jìn)程是正常終止的，就返回進(jìn)程的進(jìn)程號PID
if(WIFEXITED(status)) //返回退出狀態(tài)
printf("child %d terminated normally with exit status =%d\n",pid,WEXITSTATUS(status));
else
printf("child %d erminated abnormally\n",pid);
}
if(errno!=ECHILD)
printf("waitpid error\n");
exit(0);
}
本代碼主要是測試進(jìn)程的終止，即waitpid案例程序。定義生成兩個(gè)進(jìn)程，本例子是不按照特定順序來回收僵死子進(jìn)程，本程序返回結(jié)果為
child 28693 terminated normally with exit status =100 child 28694 terminated normally with exit status =101 child 28695 terminated normally with exit status =102
fork()函數(shù)示例五
#include "csapp.h"
#define N 2
int main()
{
int status,i;
pid_t pid[N],retpid;
for(i=0;i<N;i++)
if((pid[i]=fork())==0)
exit(100+i);//退出并返回狀態(tài)碼
i=0;
while((retpid=waitpid(pid[i++],&status,0))>0) {
if(WIFEXITED(status))
printf("child %d terminated normally with exit status=%d\n",retpid,WEXITSTATUS(status));
else
printf("child %d terminated abnormally\n",retpid);
}
if(errno !=ECHILD)
printf("waitpid error!");
exit(0);
}
按照創(chuàng)建進(jìn)程的順序來回收這些僵死進(jìn)程，注意程序中的pid[i++]是按序的標(biāo)志，本程序運(yùn)行結(jié)果為
child 29846 terminated normally with exit status=100 child 29847 terminated normally with exit status=101
fork()函數(shù)示例六
#include "csapp.h"
/*推測此程序會輸出什么樣的結(jié)果*/
int main()
{
int status;
pid_t pid;
printf("Hello\n");
pid=fork();
printf("%d\n",!pid);
if(pid!=0) {
if(waitpid(-1,&status,0)>0) {
if(WIFEXITED(status)!=0)
printf("%d\n",WEXITSTATUS(status));
}
}
printf("Bye\n");
exit(2);
}
首先父進(jìn)程會輸出Hello，子進(jìn)程新建成功，在子進(jìn)程中，pid為0，輸出1，并且子進(jìn)程無法執(zhí)行if語句，但是子進(jìn)程仍然可以輸出Bye，并且正常退出并返回狀態(tài)碼為2。而在父進(jìn)程中，pid為非零的正數(shù)，因此先輸出0，然后執(zhí)行if語句，由于子進(jìn)程已經(jīng)正常退出，故輸出狀態(tài)碼2，并且最后執(zhí)行公共代碼塊，輸出Bye并正常退出。因此，總共輸出的結(jié)果如下所示：
Hello 0 1 Bye 2 Bye
當(dāng)然，順序不唯一，還有一種可能的結(jié)果是
Hello 1 Bye 0 2 Bye
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