Linux系統中的多進程程式設計：fork()函數詳解
- 王林轉載
- 2024-02-10 09:00:381213瀏覽
Fork()函數是Linux系統中最常用的系統呼叫之一，它用來建立一個新的進程，該進程是呼叫進程的子進程。 fork()函數的特徵是它只呼叫一次，但返回兩次，分別在父進程和子進程中。 fork()函數的回傳值不同，可以用來區分父行程和子程序。在本文中，我們將介紹fork()函數的原理和用法，包括返回值的含義，子進程的特徵，父子進程的同步和通信等，並舉例說明它們的使用方法和注意事項。
一、fork入門知識
#一個進程，包括程式碼、資料和分配給進程的資源。 fork（）函數透過系統呼叫創建一個與原來進程幾乎完全相同的進程，也就是兩個進程可以做完全相同的事，但如果初始參數或傳入的變數不同，兩個進程也可以做不同的事。
一個程序呼叫fork（）函數後，系統先給新的程序分配資源，例如儲存資料和程式碼的空間。然後把原來的進程的所有值都複製到新的新進程中，只有少數值與原來的進程的值不同。相當於克隆了一個自己。
我們來看一個例子：
1. /*
2. \* fork_test.c
3. \* version 1
4. \* Created on: 2010-5-29
5. \* Author: wangth
6. */
7. \#include
8. \#include
9. int main ()
10. {
11. pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值
12. int count=0;
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. printf("我是爹的儿子/n");//对某些人来说中文看着更直白。
19. count++;
20. }
21. else {
22. printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());
23. printf("我是孩子他爹/n");
24. count++;
25. }
26. printf("统计结果是: %d/n",count);
27. return 0;
28. }
運行結果是：
i am the child process, my process id is 5574
我是爹的兒子
統計結果是: 1
i am the parent process, my process id is 5573
我是孩子他爹
統計結果是: 1
在語句fpid=fork()之前，只有一個行程在執行這段程式碼，但在這條語句之後，就變成兩個行程在執行了，這兩個行程的幾乎完全相同，將要執行的下一語句都是if(fpid
為什麼兩個行程的fpid不同呢，這與fork函數的特性有關。
fork呼叫的一個奇妙之處就是它僅僅被呼叫一次，卻能夠回傳兩次，它可能有三種不同的回傳值：
#
1）在父進程中，fork傳回新建立子進程的進程ID；
2）在子進程中，fork返回0；
3）如果出現錯誤，fork回傳一個負值；
在fork函數執行完畢後，如果建立新進程成功，則出現兩個進程，一個是子進程，一個是父進程。在子進程中，fork函數傳回0，在父進程中，fork傳回新建立子進程的進程ID。我們可以透過fork傳回的值來判斷目前進程是子進程還是父進程。
引用一位網友的話來解釋fpid的值為什麼在父子程序中不同。 「其實就相當於鍊錶，進程形成了鍊錶，父進程的fpid(p 意味point)指向子進程的進程id,因為子進程沒有子進程，所以其fpid為0.
fork出錯可能有兩種原因：
1）目前的進程數已經達到了系統規定的上限，這時errno的值被設定為EAGAIN。
2）系統記憶體不足，這時errno的值被設定為ENOMEM。
建立新進程成功後，系統中出現兩個基本上完全相同的進程，這兩個進程執行沒有固定的先後順序，哪個進程先執行要看系統的進程調度策略。
每個進程都有一個獨特（互不相同）的進程標識符（process ID），可以透過getpid（）函數來獲得，還有一個記錄父進程pid的變量，可以透過getppid（）函數來獲得變數的值。
fork執行完畢後，出現兩個進程，
有人說兩個行程的內容完全一樣啊，怎麼列印的結果不一樣啊，那是因為判斷條件的原因，上面列舉的只是進程的程式碼和指令，還有變數啊。
執行完fork後，行程1的變數為count=0，fpid！ =0（父進程）。進程2的變數為count=0，fpid=0（子進程），這兩個進程的變數都是獨立的，存在不同的位址中，不是共用的，這點要注意。可以說，我們就是透過fpid來辨識和操作父子進程的。
還有人可能疑惑為什麼不是從#include處開始複製程式碼的，這是因為fork是把進程當前的情況拷貝一份，執行fork時，進程已經執行完了int count=0;
fork只拷貝下一個要執行的程式碼到新的程序。
二、fork進階知識
先看一份程式碼：
1. /*
2. \* fork_test.c
3. \* version 2
4. \* Created on: 2010-5-29
5. \* Author: wangth
6. */
7. \#include
8. \#include
9. int main(void)
10. {
11. int i=0;
12. printf("i son/pa ppid pid fpid/n");
13. //ppid指当前进程的父进程pid
14. //pid指当前进程的pid,
15. //fpid指fork返回给当前进程的值
16. for(i=0;iif(fpid==0)
19. printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
20. else
21. printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
22. }
23. return 0;
24. }
運行結果是：
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
這份程式碼比較有意思，我們來認真分析一下：
第一步：在父進程中，指令執行到for迴圈中，i=0，接著執行fork，fork執行完後，系統中出現兩個進程，分別是p3224和p3225（後面我都用pxxxx表示進程id為xxxx的進程）。可以看到父行程p3224的父行程是p2043，子行程p3225的父行程正好是p3224。我們用一個鍊錶來表示這個關係：
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。
以上是Linux系統中的多進程程式設計：fork()函數詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！