linux系统编程之进程（二）：fork函数相关总结

fork的作用是根据一个现有的进程复制出一个新进程，原来的进程称为父进程（Parent Process），新进程称为子进程（Child Process）。系统中同时运行着很多进程，这些进程都是从最初只有一个进程开始一个一个复制出来的。在Shell下输入命令可以运行一个程序，是因为Shell进程在读取用户输入的命令之后会调用fork复制出一个新的Shell进程，然后新的Shell进程调用exec执行新的程序。

我们知道一个程序可以多次加载到内存，成为同时运行的多个进程，例如可以同时开多个终端窗口运行/bin/bash，另一方面，一个进程在调用exec前后也可以分别执行两个不同的程序，例如在Shell提示符下输入命令ls，首先fork创建子进程，这时子进程仍在执行/bin/bash程序，然后子进程调用exec执行新的程序/bin/ls，如下图所示。

一、fork系统调用

包含头文件 <sys/types.h> 和 <unistd.h>
函数功能:创建一个子进程
函数原型
         pid_t  fork(void);
参数：无参数。
返回值:
如果成功创建一个子进程，对于父进程来说返回子进程ID
如果成功创建一个子进程，对于子进程来说返回值为0
如果为-1表示创建失败

（1）、fork出的子进程继承了父进程下面这些属性：

• uid,gid,euid,egid
• 附加组id(sgid,supplementary group id) //sgid引入原因是有时候希望这个用户属于多个其他部门，这些其他部门的gid就是sgid
• 进程组id,会话id
• SUID标记和SGID标记
• 控制终端
• 当前工作目录/根目录
• 文件创建时的umask
• 文件描述符的文件标志(close-on-exec)
• 信号屏蔽和处理
• 存储映射
• 资源限制

（2）、下面是不同的部分：

• pid不同
• 进程时间被清空
• 文件锁没有继承
• 未处理信号被清空

（3）、fork系统调用需要注意的地方

fork系统调用之后，父子进程将交替执行。
如果父进程先退出，子进程还没退出那么子进程的父进程将变为init进程。（注：任何一个进程都必须有父进程）
如果子进程先退出，父进程还没退出，那么子进程必须等到父进程捕获到了子进程的退出状态才真正结束，否则这个时候子进程就成为僵进程。

子进程退出会发送SIGCHLD信号给父进程，可以选择忽略或使用信号处理函数接收处理就可以避免僵尸进程。

（4）、写时复制 copy on write

如果多个进程要读取它们自己的那部分资源的副本，那么复制是不必要的。
每个进程只要保存一个指向这个资源的指针就可以了。
如果一个进程要修改自己的那份资源的“副本”，那么就会复制那份资源。这就是写时复制的含义

例如fork就是基于写时复制，只读代码段是可以共享的。

若使用vfork 则子进程和父进程占用同一个内存映像，在子进程修改会影响父进程。 同时只有在子进程执行exec/exit之后才会运行父进程。实际上子进程占用的栈空间就是父进程的栈空间，所以需要非常小心。如果vfork的子进程并没有 exec或者是exit的话，那么子进程就会执行直到程序退出之后，父进程才开始执行。而这个时候父进程的内存已经完全被写坏。

（5）、fork之后父子进程共享文件

子进程继承了父进程打开的文件描述符，故每个打开文件的引用计数为2。

示例程序：

 C++ Code 

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/*************************************************************************
    > File Name: process_fork.c
    > Author: Simba
    > Mail: [e-mail]
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
 ************************************************************************/
/* 如果父进程先退出，子进程还没退出那么子进程的父进程将变为init进程。（注：任何一个进程都必须有父进程）
 * 如果子进程先退出，父进程还没退出，那么子进程必须等到父进程捕获到了子进程的退出状态才真正结束，
 * 否则这个时候子进程就成为僵进程。
 */
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

int main(int argc, char *argv[])
{
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 避免产生僵尸进程，忽略SIGCHLD信号
    printf("before fork pid=%d\n", getpid());
    int fd;
    fd = open("test.txt", O_WRONLY);
    if (fd == -1)
        ERR_EXIT("open error");

    pid_t pid;
    pid = fork(); // 写时复制copy on write，只读代码段可以共享
    /* 若使用vfork()则在还没调用exec之前，父子进程是共享同一个地址空间，
     * 不像fork()一样会进行拷贝 */
    if (pid == -1)
        ERR_EXIT("fork error");

    if (pid > 0)
    {
        printf("this is parent\n");
        printf("parent pid=%d child pid=%d\n", getpid(), pid);
        write(fd, "parent", 6); // 父子进程共享一个文件表
        sleep(10);
    }

    else if (pid == 0)
    {
        printf("this is child\n");
        printf("child pid=%d parent pid=%d\n", getpid(), getppid());
        write(fd, "child", 5);
    }

    return 0;
}

测试输出如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/APUE/process$ ./process_fork 
before fork pid=2572
this is parent
parent pid=2572 child pid=2573
this is child
child pid=2573 parent pid=2572
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/APUE/process$ cat test.txt 
parentchild
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/APUE/process$ 

可以看到因为共享一个文件表，故文件偏移也共享，父子进程打印进test.txt文件的内容是紧随的而不是从头开始的。

参考：《APUE》