Linux进程控制--fork()的分析

一般来说，linux下的进程包含以下几个关键要素：

• 有一段可执行程序；
• 有专用的系统堆栈空间；
• 内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；
• 具有独立的存储空间

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;

    printf("leon!");
     //printf("leon! ");
    pid = fork();
    if (pid < 0)
        printf("fork error! ");
    else if (pid == 0)
        printf("the child process,pid is %d ",getpid());
    else
        printf("the parent process,pid is %dn ",getpid());

    return 0;
}

执行结果是：

leon!

the parent process,pid is 2617n

leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ the child process,pid is 2618

要搞清楚fork的执行过程，就必须先讲清楚操作系统中的“进程(process)”概念。一个进程，主要包含三个元素： 

o. 一个可以执行的程序； 
o. 和该进程相关联的全部数据（包括变量，内存空间，缓冲区等等）； 
o. 程序的执行上下文（execution context）。 
不妨简单理解为，一个进程表示的，就是一个可执行程序的一次执行过程中的一个状态。操作系统对进程的管理，典型的情况，是通过进程表（PCB，task_struct）完成的。进程表中的每一个表项，记录的是当前操作系统中一个进程的情况。对于单 CPU的情况而言，每一特定时刻只有一个进程占用 CPU，但是系统中可能同时存在多个活动的（等待执行或继续执行的）进程。 
一个称为“程序计数器（program counter, pc）”的寄存器，指出当前占用 CPU的进程要执行的下一条指令的位置。 
当分给某个进程的 CPU时间已经用完，操作系统将该进程相关的寄存器的值，保存到该进程在进程表中对应的表项里面；把将要接替这个进程占用 CPU的那个进程的上下文，从进程表中读出，并更新相应的寄存器（这个过程称为“上下文交换(process context switch)”，实际的上下文交换需要涉及到更多的数据，那和fork无关，不再多说，主要要记住程序寄存器pc指出程序当前已经执行到哪里，是进程上下文的重要内容，换出 CPU的进程要保存这个寄存器的值，换入CPU的进程，也要根据进程表中保存的本进程执行上下文信息，更新这个寄存器）。

好了，有这些概念打底，可以说fork了。

先分析问题1为什么有两个输出？

当你的程序执行到下面的语句：pid=fork();  操作系统创建一个新的进程（子进程），并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序，上下文和数据，绝大部分就是原进程（父进程）的拷贝（包括文件描述符表和环境变量），但它们是两个相互独立的进程！这2个进程共享代码空间，但是数据空间是互相独立的（相同但独立），子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝，指令指针也完全相同，但只有一点不同，如果fork成功，子进程中fork的返回值是0，父进程中fork的返回值是子进程的进程号，如果fork不成功，父进程会返回错误。

此时程序寄存器pc，在父、子进程的上下文中都声称，这个进程目前执行到fork调用即将返回（此时子进程不占有CPU，子进程的pc不是真正保存在寄存器中，而是作为进程上下文保存在进程表中的对应表项内）。问题是怎么返回？父进程继续执行，操作系统对fork的实现，使这个调用在父进程中返回刚刚创建的子进程的pid（一个正整数），所以下面的if语句中pid<0, pid==0的两个分支都不会执行。所以输出the parent process... 

子进程在之后的某个时候得到调度，它的上下文被换入，占据 CPU，操作系统对fork的实现，使得子进程中fork调用返回0。所以在这个进程（注意这不是父进程了哦，虽然是同一个程序，但是这是同一个程序的另外一次执行，在操作系统中这次执行是由另外一个进程表示的，从执行的角度说和父进程相互独立）中pid=0。这个进程继续执行的过程中，if语句中pid<0不满足，但是pid==0是true。所以输出the child process... 我想比较困惑的就是，为什么看上去程序中互斥的两个分支都被执行了。在一个程序的一次执行中，这当然是不可能的；但是你看到的两行输出是来自两个进程，这两个进程来自同一个程序的两次执行。

问题2,the child process...输出位置？

这个程序是在Shell下运行的，因此Shell进程是父进程的父进程。父进程运行时Shell进程处于等待状态，当父进程终止时Shell进程认为命令执行结束了，于是打印Shell提示符，而事实上子进程这时还没结束，所以子进程的消息打印到了Shell提示符后面。最后光标停在This is the child的下一行，这时用户仍然可以敲命令，即使命令不是紧跟在提示符后面，Shell也能正确读取。在父进程加个延时，子进程就有可能会在Shell打印之前输出打印。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;

    printf("leon!");
    //printf("leon! ");

    pid = fork();
    if (pid < 0)
        printf("fork error! ");
    else if (pid == 0)
        printf("the child process,pid is %d ",getpid());
    else
    {
        printf("the parent process,pid is %d ",getpid());
        sleep(3);
    }    
    return 0;
}

执行结果是

leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ ./a.out 

leon!the parent process,pid is 3622

leon!the child process,pid is 3623

leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ 

问题3，“leon!”为何打印两次？

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 则会立即刷新stdout,因此就马上能够打印了. 运行了printf("leon!") 后, leon! 仅仅被放到了缓冲里,再运行到fork时,缓冲里面的 leon!被子进程继承了因此在子进程度stdout缓冲里面就也有了leon!
所以,你最终看到的会是 leon!被printf了2次!!!! 
而运行 printf("leon! ")后, leon!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 leon!内容 ,因此leon!就只被打印了一次。

leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ ./a.out 

leon!

the parent process,pid is 3781

the child process,pid is 3782

leon@leon-desktop:~/share/work/apue$