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Linux中使用C语言的fork()函数创建子进程的实例教程

时间：2021-01-01 03:41 编辑：来源：阅读：
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摘要：Linux中使用C语言的fork()函数创建子进程的实例教程

[b]一、fork入门知识 [/b]一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源。fork（）函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程，也就是两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。一个进程调用fork（）函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。我们来看一个例子：

#include <unistd.h> 
#include <stdio.h>  
int main ()  
{  
  pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值 
  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("我是爹的儿子/n");//对某些人来说中文看着更直白。 
    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("统计结果是: %d/n",count); 
  return 0; 
}

运行结果是：

i am the child process, my process id is 5574
我是爹的儿子
统计结果是: 1
i am the parent process, my process id is 5573
我是孩子他爹
统计结果是: 1

在语句fpid=fork()之前，只有一个进程在执行这段代码，但在这条语句之后，就变成两个进程在执行了，这两个进程的几乎完全相同，将要执行的下一条语句都是if(fpid<0)…… 为什么两个进程的fpid不同呢，这与fork函数的特性有关。fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值： 1）在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID； 2）在子进程中，fork返回0； 3）如果出现错误，fork返回一个负值；在fork函数执行完毕后，如果创建新进程成功，则出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程。在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID。我们可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。引用一位网友的话来解释fpid的值为什么在父子进程中不同。“其实就相当于链表，进程形成了链表，父进程的fpid(p 意味point)指向子进程的进程id, 因为子进程没有子进程，所以其fpid为0. fork出错可能有两种原因： 1）当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时errno的值被设置为EAGAIN。 2）系统内存不足，这时errno的值被设置为ENOMEM。创建新进程成功后，系统中出现两个基本完全相同的进程，这两个进程执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略。每个进程都有一个独特（互不相同）的进程标识符（process ID），可以通过getpid（）函数获得，还有一个记录父进程pid的变量，可以通过getppid（）函数获得变量的值。 fork执行完毕后，出现两个进程， [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201606/2016622152015141.gif?2016522152036[/img] 有人说两个进程的内容完全一样啊，怎么打印的结果不一样啊，那是因为判断条件的原因，上面列举的只是进程的代码和指令，还有变量啊。执行完fork后，进程1的变量为count=0，fpid！=0（父进程）。进程2的变量为count=0，fpid=0（子进程），这两个进程的变量都是独立的，存在不同的地址中，不是共用的，这点要注意。可以说，我们就是通过fpid来识别和操作父子进程的。还有人可能疑惑为什么不是从#include处开始复制代码的，这是因为fork是把进程当前的情况拷贝一份，执行fork时，进程已经执行完了int count=0;fork只拷贝下一个要执行的代码到新的进程。 [b] 二、fork进阶知识 [/b] 先看一份代码：

#include <unistd.h> 
#include <stdio.h> 
int main(void) 
{ 
  int i=0; 
  printf("i son/pa ppid pid fpid/n"); 
  //ppid指当前进程的父进程pid 
  //pid指当前进程的pid, 
  //fpid指fork返回给当前进程的值 
  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; 
}

运行结果是：

  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

这份代码比较有意思，我们来认真分析一下：第一步：在父进程中，指令执行到for循环中，i=0，接着执行fork，fork执行完后，系统中出现两个进程，分别是p3224和p3225（后面我都用pxxxx表示进程id为xxxx的进程）。可以看到父进程p3224的父进程是p2043，子进程p3225的父进程正好是p3224。我们用一个链表来表示这个关系：

p2043->p3224->p3225

第一次fork后，p3224（父进程）的变量为i=0，fpid=3225（fork函数在父进程中返向子进程id），代码内容为：

for(i=0;i<2;i++){ 
  pid_t fpid=fork();//执行完毕，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;

所以打印出结果：

  0 parent 2043 3224 3225
  0 child 3224 3225  0

第二步：假设父进程p3224先执行，当进入下一个循环时，i=1，接着执行fork，系统中又新增一个进程p3226，对于此时的父进程，p2043->p3224（当前进程）->p3226（被创建的子进程）。对于子进程p3225，执行完第一次循环后，i=1，接着执行fork，系统中新增一个进程p3227，对于此进程，p3224->p3225（当前进程）->p3227（被创建的子进程）。从输出可以看到p3225原来是p3224的子进程，现在变成p3227的父进程。父子是相对的，这个大家应该容易理解。只要当前进程执行了fork，该进程就变成了父进程了，就打印出了parent。所以打印出结果是：

  1 parent 2043 3224 3226
  1 parent 3224 3225 3227

第三步：第二步创建了两个进程p3226，p3227，这两个进程执行完printf函数后就结束了，因为这两个进程无法进入第三次循环，无法fork，该执行return 0;了，其他进程也是如此。以下是p3226，p3227打印出的结果：

  1 child   1 3227  0
  1 child   1 3226  0

细心的读者可能注意到p3226，p3227的父进程难道不该是p3224和p3225吗，怎么会是1呢？这里得讲到进程的创建和死亡的过程，在p3224和p3225执行完第二个循环后，main函数就该退出了，也即进程该死亡了，因为它已经做完所有事情了。p3224和p3225死亡后，p3226，p3227就没有父进程了，这在操作系统是不被允许的，所以p3226，p3227的父进程就被置为p1了，p1是永远不会死亡的，至于为什么，这里先不介绍，留到“三、fork高阶知识”讲。总结一下，这个程序执行的流程如下： [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201606/2016622152338182.gif?2016522152421[/img] 这个程序最终产生了3个子进程，执行过6次printf（）函数。我们再来看一份代码：

#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; 
 
}

它的执行结果是：

  father
  son
  father
  father
  father
  father
  son
  son
  father
  son
  son
  son
  father
  son

这里就不做详细解释了，只做一个大概的分析。

  for    i=0     1      2
       father   father   father
                    son
              son    father
                    son
        son    father   father
                    son
              son    father
                    son

其中每一行分别代表一个进程的运行打印结果。总结一下规律，对于这种N次循环的情况，执行printf函数的次数为2*（1+2+4+……+2N）次，创建的子进程数为1+2+4+……+2N个。网上有人说N次循环产生2*（1+2+4+……+2N）个进程，这个说法是不对的，希望大家需要注意。同时，大家如果想测一下一个程序中到底创建了几个子进程，最好的方法就是调用printf函数打印该进程的pid，也即调用printf("%d/n",getpid());或者通过printf("+/n");来判断产生了几个进程。有人想通过调用printf("+");来统计创建了几个进程，这是不妥当的。具体原因我来分析。

老规矩，大家看一下下面的代码：
#include <unistd.h> 
#include <stdio.h> 
int main() { 
  pid_t fpid;//fpid表示fork函数返回的值 
  //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; 
}

执行结果如下：

fork!
I am the parent process, my process id is 3361
I am the child process, my process id is 3362

如果把语句printf("fork!/n");注释掉，执行printf("fork!"); 则新的程序的执行结果是：

fork!I am the parent process, my process id is 3298
fork!I am the child process, my process id is 3299

程序的唯一的区别就在于一个/n回车符号，为什么结果会相差这么大呢？这就跟printf的缓冲机制有关了，printf某些内容时，操作系统仅仅是把该内容放到了stdout的缓冲队列里了,并没有实际的写到屏幕上。但是,只要看到有/n 则会立即刷新stdout,因此就马上能够打印了。运行了printf("fork!")后,“fork!”仅仅被放到了缓冲里,程序运行到fork时缓冲里面的“fork!” 被子进程复制过去了。因此在子进程度stdout缓冲里面就也有了fork! 。所以,你最终看到的会是fork! 被printf了2次！！！！而运行printf("fork! /n")后,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子进程里的stdout缓冲里不会有fork! 内容。因此你看到的结果会是fork! 被printf了1次！！！！所以说printf("+");不能正确地反应进程的数量。大家看了这么多可能有点疲倦吧，不过我还得贴最后一份代码来进一步分析fork函数。

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
int main(int argc, char* argv[]) 
{ 
  fork(); 
  fork() && fork() || fork(); 
  fork(); 
  return 0; 
}

问题是不算main这个进程自身，程序到底创建了多少个进程。为了解答这个问题，我们先做一下弊，先用程序验证一下，到此有多少个进程。答案是总共20个进程，除去main进程，还有19个进程。我们再来仔细分析一下，为什么是还有19个进程。第一个fork和最后一个fork肯定是会执行的。主要在中间3个fork上，可以画一个图进行描述。这里就需要注意&&和||运算符。 A&&B，如果A=0，就没有必要继续执行&&B了；A非0，就需要继续执行&&B。 A||B，如果A非0，就没有必要继续执行||B了，A=0，就需要继续执行||B。 fork()对于父进程和子进程的返回值是不同的，按照上面的A&&B和A||B的分支进行画图，可以得出5个分支。 [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201606/2016622152628204.gif?2016522152640[/img]

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