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分类: LINUX

2012-03-27 12:40:53

 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:

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <unistd.h>
  3. #include <sys/types.h>
  4. #include <stdlib.h>

  5. /*
  6. * @brief main For the understanding of the fork()
  7. *
  8. * @param argc
  9. * @param argv[]
  10. *
  11. * @return 在父进程中返回子进程的进程号;在子进程中返回0。
  12. */
  13. int main(int argc, char *argv[])
  14. {
  15.     pid_t pid;
  16.     int cnt = 0;

  17.     pid = fork();

  18.     if (pid == -1) {
  19.         perror("fork error");
  20.         exit(1);
  21.     } else if (pid == 0) {
  22.         printf("The returned value is %d\nIn child process!!\nMy PID is %d\n",
  23.         pid, getpid());
  24.         cnt++;
  25.     } else {
  26.         printf("The returned value is %d\nIn father process!!\nMy PID is %d\n",
  27.         pid, getpid());
  28.         cnt++;
  29.     }
  30.     printf("cnt = %d\n", cnt);

  31.     return 0;
  32. }
     运行结果是:
     The returned value is 20473
     In father process!!
     My PID is 20472
     cnt = 1
     The returned value is 0
     In child process!!
     My PID is 20473
     cnt = 1

    在语句pid=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(pid == -1)……
    为什么两个进程的pid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-1;

    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。

    pid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pid(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pid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,子进程从父进程处继承了整个进程的地址空间,包括进程上下文、代码段、进程堆栈、内存信息、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制和控制终端, 父子进程不共享这些存储空间部分,父子进程共享正文段。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。

  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cnt=0,pid != 0(父进程)。进程2的变量为count=0,pid=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pid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 cnt=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:

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <unistd.h>
  2. #include <stdio.h>

  3. int main(int argc, char *argv[])
  4. {
  5.     int i = 0;
  6.     printf("i\tson/pa\tppid\tpid\treturn\n");
  7.     /*
  8.      *ppid指当前进程的父进程pid
  9.      *pid指当前进程的pid,
  10.      *return指fork返回给当前进程的值
  11.      */
  12.     for (i = 0; i < 2; i++) {
  13.         pid_t pid = fork();
  14.         if (pid == 0)
  15.             printf("%d\tchild\t%d\t%d\t%4d\n", i, getppid(),
  16.                    getpid(), pid);
  17.         else
  18.             printf("%d\tparent\t%d\t%d\t%d\n", i, getppid(),
  19.                    getpid(), pid);
  20.     }
  21.     return 0;
  22. }
    运行结果是:
    i     son/pa     ppid     pid      return
    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,pid=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 pid=fork();//执行完毕,i=0,return=3225  
        if(pid==0)  
           printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  
        else  
           printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  
    }  
    return 0;  

    p3225(子进程)的变量为i=0,pid=0(fork函数在子进程中返回0),代码内容为:

    for(i=0;i<2;i++){  
        pid_t pid=fork();//执行完毕,i=0,return=0  
        if(pid==0)  
           printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  
        else  
           printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),pid);  
    }  
    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,因为现在的父进程退出了,现在的子进程成为了孤儿进程,系统将它托孤到1号进程init进程,init进程是系统启动后的第一个执行的进程,因为进程的创建是由fork来实现的,所以init进程是所有进程的祖先进程
    总结一下,这个程序执行的流程如下:

 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-1)次,创建的子进程数为1+2+4+……+2N-1个。   
    数学推理见-->
http://blog.chinaunix.net/uid-26495963-id-3150121.html
    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:
 

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <unistd.h>
  2.     #include <stdio.h>
  3.     int main() {
  4.         pid_t pid;//pid表示fork函数返回的值
  5.         //printf("fork!");
  6.         printf("fork!/n");
  7.         pid = fork();
  8.         if (pid < 0)
  9.             printf("error in fork!");
  10.         else if (pid == 0)
  11.             printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());
  12.         else
  13.             printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());
  14.         return 0;
  15.     }
    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。
   

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  1. #include <stdio.h>
  2. #include <unistd.h>
  3. int main(int argc, char* argv[])
  4. {
  5.     fork();
  6.     fork() && fork() || fork();
  7.     fork();
  8.     return 0;
  9. }
    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,我们先做弊一下,先用程序验证一下,到此有多少个进程。
    #include  
    int main(int argc, char* argv[])  
    {  
       fork();  
       fork() && fork() || fork();  
       fork();  
       printf("+/n");  
    }  

    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。

加上前面的fork和最后的fork,总共4*5=20个进程,除去main主进程,就是19个进程了。


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