Linux中使用C语言的fork()函数创建子进程的实例教程

 更新时间:2016年06月22日 15:36:56   作者:Jeakon  
fork是一个在Linux系统环境下专有的函数,现有的进程调用fork后将会创建一个新的进程,这里我们就来看一下Linux中使用C语言的fork()函数创建子进程的实例教程

一、fork入门知识
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,

2016622152015141.gif (557×381)

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。
 
二、fork进阶知识
 
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:

2016622152338182.gif (492×265)

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。

2016622152628204.gif (1011×419) 

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