C语言的fork函数在Linux中的进程操作及相关面试题讲解

 更新时间:2016年06月08日 15:26:41   作者:左耳朵耗子  
fork函数只能在类Unix的系统中使用,用于创建子线程,这里总结了C语言的fork函数在Linux中的进程操作及相关面试题讲解,先来看一下C语言程序的存储空间与进程示意:

fork的意义

下图为,C 程序的存储空间布局(典型)

201668151756571.png (398×368)

1.一个现有进程可以调用 fork 函数创建一个新进程。
2.fork 函数被调用一次,但返回两次, 两次返回的唯一区别是子进程的返回值是 0, 而父进程的返回值是新子进程的 PID。
3.子进程和父进程继续执行 fork 调用之后的指令。
在上图的存储空间布局中,父子进程只共享正文段,其余的都各自有独立的副本 (通常使用 copy-on-write 的策略,速度比较快)。

fork 的两种用法
1.父子进程同时执行不同的代码段
典型应用:Web 服务器。
以下代码是简单的 fork 父子进程分别执行不同的代码:

#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;
}

2.一个进程要执行一个不同的程序
典型应用:Shell。
这里就不举例子了~

关于fork的一道面试题
题目:请问下面的程序一共输出多少个“-”?

#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;
}

如果你对fork()的机制比较熟悉的话,这个题并不难,输出应该是6个“-”,但是,实际上这个程序会很tricky地输出8个“-”。

要讲清这个题,我们首先需要知道fork()系统调用的特性,

1.fork()系统调用是Unix下以自身进程创建子进程的系统调用,一次调用,两次返回,如果返回是0,则是子进程,如果返回值>0,则是父进程(返回值是子进程的pid),这是众为周知的。

2.还有一个很重要的东西是,在fork()的调用处,整个父进程空间会原模原样地复制到子进程中,包括指令,变量值,程序调用栈,环境变量,缓冲区,等等。

所以,上面的那个程序为什么会输入8个“-”,这是因为printf(“-”);语句有buffer,所以,对于上述程序,printf(“-”);把“-”放到了缓存中,并没有真正的输出(参看《C语言的迷题》中的第一题),在fork的时候,缓存被复制到了子进程空间,所以,就多了两个,就成了8个,而不是6个。

另外,多说一下,我们知道,Unix下的设备有“块设备”和“字符设备”的概念,所谓块设备,就是以一块一块的数据存取的设备,字符设备是一次存取一个字符的设备。磁盘、内存都是块设备,字符设备如键盘和串口。块设备一般都有缓存,而字符设备一般都没有缓存。

对于上面的问题,我们如果修改一下上面的printf的那条语句为:

printf("-n");

或是

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

就没有问题了(就是6个“-”了),因为程序遇到“n”,或是EOF,或是缓中区满,或是文件描述符关闭,或是主动flush,或是程序退出,就会把数据刷出缓冲区。需要注意的是,标准输出是行缓冲,所以遇到“n”的时候会刷出缓冲区,但对于磁盘这个块设备来说,“n”并不会引起缓冲区刷出的动作,那是全缓冲,你可以使用setvbuf来设置缓冲区大小,或是用fflush刷缓存。

我估计有些朋友可能对于fork()还不是很了解,那么我们把上面的程序改成下面这样:

#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); //让进程停留十秒,这样我们可以用pstree查看一下进程树
  return 0;
}

于是,上面这段程序会输出下面的结果,(注:编译出的可执行的程序名为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)

面对这样的图你可能还是看不懂,没事,我好事做到底,画个图给你看看:

201668151954231.jpg (620×407)

注意:上图中的我用了几个色彩,相同颜色的是同一个进程。于是,我们的pstree的图示就可以成为下面这个样子:(下图中的颜色与上图对应)

201668152014108.jpg (437×97)

这样,对于printf(“-”);这个语句,我们就可以很清楚的知道,哪个子进程复制了父进程标准输出缓中区里的的内容,而导致了多次输出了。(如下图所示,就是我阴影并双边框了那两个子进程)

201668152030730.jpg (626×415)

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