Linux システムにおけるマルチプロセス プログラミング: fork() 関数の詳細な説明

Fork() 関数は、Linux システムで最も一般的に使用されるシステム コールの 1 つで、呼び出しプロセスの子プロセスである新しいプロセスを作成するために使用されます。 fork() 関数の特徴は、親プロセスと子プロセスでそれぞれ 1 回呼び出されるだけで 2 回返されることです。 fork() 関数の戻り値は異なり、親プロセスと子プロセスを区別するために使用できます。この記事では、fork()関数の戻り値の意味、子プロセスの特徴、親子プロセスの同期や通信など、fork()関数の原理と使い方を例を挙げて紹介します。その使い方や注意点などをご紹介します。

1. フォークの概要

プロセスに割り当てられたコード、データ、リソースを含むプロセス。 fork() 関数は、システム コールを通じて元のプロセスとほぼ同一のプロセスを作成します。つまり、2 つのプロセスはまったく同じことを実行できますが、初期パラメータまたは渡された変数が異なる場合、2 つのプロセスは別のこともできます。

プロセスが fork() 関数を呼び出した後、システムはまずデータやコードを保存するためのスペースなどのリソースを新しいプロセスに割り当てます。次に、元のプロセスの値と異なるいくつかの値を除いて、元のプロセスのすべての値を新しいプロセスにコピーします。それは自分自身のクローンを作成することに相当します。

例を見てみましょう:

リーリー

実行結果は次のとおりです:
私は子プロセスです。プロセス ID は 5574
です。 私は父の息子です
統計結果は次のとおりです: 1
私は親プロセスです。プロセス ID は 5573
です。 私はこの子の父親です
統計結果は次のとおりです: 1

fpid=fork() ステートメントの前は 1 つのプロセスのみがこのコードを実行していますが、このステートメントの後は 2 つのプロセスになります。2 つのプロセスはほぼ同一であり、実行されます。次のステートメントはすべて if(fpid

2 つのプロセスの fpid が異なるのはなぜですか? これは fork 関数の特性に関連しています。

フォーク呼び出しの素晴らしい点の 1 つは、呼び出しは 1 回だけですが、2 回戻ることができることです。3 つの異なる戻り値が得られる場合があります。 1) 親プロセスでは、fork は新しく作成された子プロセスのプロセス ID を返します。 2) 子プロセスでは、fork は 0; を返します。 3) エラーが発生した場合、fork は負の値を返します。

fork 関数の実行後、新しいプロセスが正常に作成されると、子プロセスと親プロセスの 2 つのプロセスが表示されます。子プロセスでは、fork 関数は 0 を返します。親プロセスでは、fork は新しく作成された子プロセスのプロセス ID を返します。 fork によって返された値を使用して、現在のプロセスが子プロセスであるか親プロセスであるかを判断できます。

なぜ父プロセスと息子プロセスで fpid の値が異なるのかをネチズンの言葉を引用して説明します。 「実際、これはリンク リストと同等です。プロセスはリンク リストを形成します。親プロセスの fpid (p はポイントを意味します) は子プロセスのプロセス ID を指します。子プロセスには子プロセスがないため、そのfpid は 0.

です

フォーク エラーは 2 つの理由で発生する可能性があります:

1) 現在のプロセス数がシステムで指定された上限に達したとき、errno の値は EAGAIN に設定されます。 2) システムのメモリが不足しており、errno の値が ENOMEM に設定されています。
新しいプロセスが正常に作成されると、基本的に同一の 2 つのプロセスがシステムに表示されます。2 つのプロセスが実行される順序は決まっていません。どちらのプロセスが最初に実行されるかは、システムのプロセス スケジューリング ポリシーによって決まります。
各プロセスには、getpid() 関数を通じて取得できる一意の (異なる) プロセス識別子 (プロセス ID) と、親プロセスの pid を記録する変数があり、変数の値は getppid を通じて取得できます。 （） 関数。

フォークの実行が完了すると、

という 2 つのプロセスが表示されます。

2つの処理の内容は全く同じだが、印刷結果が異なるという人もいますが、それは判定条件によるものであり、上記に記載しているのは処理のコードと命令だけであり、変数も同様です。

fork実行後、プロセス1の変数はcount=0, fpid! =0 (親プロセス)。プロセス 2 の変数は count=0、fpid=0 (子プロセス) ですが、これら 2 つのプロセスの変数は独立しており、異なるアドレスに存在し、共有されませんので注意が必要です。親プロセスと子プロセスを識別して操作するために fpid を使用していると言えます。

なぜ #include からコードをコピーしないのかと疑問に思う人もいるかもしれませんが、これは fork によってプロセスの現在の状況がコピーされるためで、fork を実行する時点ではすでにプロセスは完了しています int count=0;

fork は、次に実行されるコードを新しいプロセスにコピーするだけです。

2.高度な知識をフォークする

まずコードを見てみましょう: リーリー

実行結果は次のとおりです:

リーリー

このコードは非常に興味深いので、注意深く分析してみましょう:

ステップ 1: 親プロセスでは、命令が for ループ (i=0) で実行され、次に fork が実行されます。fork が実行された後、システムに 2 つのプロセス、p3224 と p3225 が表示されます (ここでは pxxxx を使用します)。後ほどプロセスIDを表します)はxxxx)のプロセスです。親プロセス p3224 の親プロセスは p2043 であり、子プロセス p3225 の親プロセスはたまたま p3224 であることがわかります。この関係を表すためにリンク リストを使用します:

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：

1. for(i=0;iif(fpid==0) 
4.     printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); 
5.   else 
6.     printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); 
7. } 
8. return 0; 

 

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

1. for(i=0;iif(fpid==0) 
4.     printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); 
5.   else 
6.     printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid); 
7. } 
8. 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：

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：

1. /* 
2.  \* fork_test.c 
3.  \* version 3 
4.  \* Created on: 2010-5-29 
5.  \*   Author: wangth 
6.  */ 
7. \#include  
8. \#include  
9. int main(void) 
10. { 
11.   int i=0; 
12.   for(i=0;iif(fpid==0) 
15.       printf("son/n"); 
16.     else 
17.       printf("father/n"); 
18.   } 
19.   return 0; 
20.  
21. } 

 

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。

(感谢gao_jiawei网友指出的错误，原本我的结论是“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 ”，这是错的)
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：

1. /* 
2.  \* fork_test.c 
3.  \* version 4 
4.  \* Created on: 2010-5-29 
5.  \*   Author: wangth 
6.  */ 
7. \#include  
8. \#include  
9. int main() { 
10.   pid_t fpid;//fpid表示fork函数返回的值 
11.   //printf("fork!"); 
12.   printf("fork!/n"); 
13.   fpid = fork(); 
14.   if (fpid printf("error in fork!"); 
16.   else if (fpid == 0) 
17.     printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid()); 
18.   else 
19.     printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid()); 
20.   return 0; 
21. } 

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。

1. \#include  
2. \#include  
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，我们先做一下弊，先用程序验证一下，到此有多少个进程。

1. \#include  
2. int main(int argc, char* argv[]) 
3. { 
4.   fork(); 
5.   fork() && fork() || fork(); 
6.   fork(); 
7.   printf("+/n"); 
8. } 

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。

三、fork高阶知识

<code style="display: -webkit-box;font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace;border-radius: 0px;font-size: 12px">这一块我主要就fork函数讲一下操作系统进程的创建、死亡和调度等。因为时间和精力限制，我先写到这里，下次找个时间我争取把剩下的内容补齐。
</code>

通过本文，我们了解了fork()函数的原理和用法，它可以用来实现多进程编程，提高程序的并发性和效率。我们应该根据实际需求选择合适的fork()函数，并遵循一些基本原则，如检查返回值是否正确，处理僵尸进程，使用信号或管道进行同步和通信等。fork()函数是Linux系统中最强大的系统调用之一，它可以实现多种复杂的功能和特性，也可以提升程序的灵活性和可扩展性。希望本文能够对你有所帮助和启发。

以上がLinux システムにおけるマルチプロセス プログラミング: fork() 関数の詳細な説明の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。