linux下fork机制的学习

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一、fork进程

进程可以看做程序的一次执行过程。在linux下，每个进程有唯一的PID标识进程。PID是一个从1到32768的正整数，其中1一般是特殊进程init，其它进程从2开始依次编号。当用完32768后，从2重新开始。

首先fork进程有以下的特性：

1.fork一次调用，二次返回， 返回为0的pid_t  是子进程，如果返回大于0，则是父进程（返回值是子进程的pid）

2.fork调用使用了“写时复制”技术来创建子进程，整个父进程空间会原模原样地复制到子进程中，包括指令，变量值，程序调用栈，环境变量，缓冲区，等等。

二、面试题解

题1：

    

   给出如下C程序，在linux下使用gcc编译：

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#include "stdio.h"

#include "sys/types.h"

#include "unistd.h"

 int main()

{

    pid_t pid1;

    pid_t pid2;

    pid1 = fork();

    pid2 = fork();

    printf("pid1:%d, pid2:%d\n", pid1, pid2);

}

      要求如下：

      已知从这个程序执行到这个程序的所有进程结束这个时间段内，没有其它新进程执行。

      1、请说出执行这个程序后，将一共运行几个进程。

      2、如果其中一个进程的输出结果是“pid1:1001, pid2:1002”，写出其他进程的输出结果（不考虑进程执行顺序）。

fork语句可以看成将程序切为A、B两个部分。然后整个程序会如下运行：

      step1、设由shell直接执行程序，生成了进程P。P执行完Part. A的所有代码。

      step2、当执行到pid = fork();时，P启动一个进程Q，Q是P的子进程，和P是同一个程序的进程。Q继承P的所有变量、环境变量、程序计数器的当前值。

      step3、在P进程中，fork()将Q的PID返回给变量pid，并继续执行Part. B的代码。

      step4、在进程Q中，将0赋给pid，并继续执行Part. B的代码。

      这里有三个点非常关键:

      1、P执行了所有程序，而Q只执行了Part. B，即fork()后面的程序。（这是因为Q继承了P的PC-程序计数器）

      2、Q继承了fork()语句执行时当前的环境，而不是程序的初始环境。

      3、P中fork()语句启动子进程Q，并将Q的PID返回，而Q中的fork()语句不启动新进程，仅将0返回。

　　解题

      下面利用上文阐述的知识进行解题。这里我把两个问题放在一起进行分析。

      1、从shell中执行此程序，启动了一个进程，我们设这个进程为P0，设其PID为XXX（解题过程不需知道其PID）。

      2、当执行到pid1 = fork();时，P0启动一个子进程P1，由题目知P1的PID为1001。我们暂且不管P1。

      3、P0中的fork返回1001给pid1，继续执行到pid2 = fork();，此时启动另一个新进程，设为P2，由题目知P2的PID为1002。同样暂且不管P2。

      4、P0中的第二个fork返回1002给pid2，继续执行完后续程序，结束。所以，P0的结果为“pid1:1001, pid2:1002”。

      5、再看P2，P2生成时，P0中pid1=1001，所以P2中pid1继承P0的1001，而作为子进程pid2=0。P2从第二个fork后开始执行，结束后输出“pid1:1001, pid2:0”。

      6、接着看P1，P1中第一条fork返回0给pid1，然后接着执行后面的语句。而后面接着的语句是pid2 = fork();执行到这里，P1又产生了一个新进程，设为P3。先不管P3。

      7、P1中第二条fork将P3的PID返回给pid2，由预备知识知P3的PID为1003，所以P1的pid2=1003。P1继续执行后续程序，结束，输出“pid1:0, pid2:1003”。

      8、P3作为P1的子进程，继承P1中pid1=0，并且第二条fork将0返回给pid2，所以P3最后输出“pid1:0, pid2:0”。

      9、至此，整个执行过程完毕。

      所得答案：

      1、一共执行了四个进程。（P0, P1, P2, P3）

      2、另外几个进程的输出分别为：

      pid1:1001, pid2:0

      pid1:0, pid2:1003

      pid1:0, pid2:0

      进一步可以给出一个以P0为根的进程树：

题目2：

请问下面的程序一共输出多少个“-”？

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#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

 

intmain(void)

{

   inti;

   for(i=0; i<2; i++){

      fork();

      printf("-");

   }

 

   return0;

}

如果你对fork()的机制比较熟悉的话，这个题并不难，输出应该是6个“-”，但是，实际上这个程序会很tricky地输出8个“-”。

所以，上面的那个程序为什么会输入8个“-”，这是因为printf(“-”);语句有buffer，所以，对于上述程序，printf(“-”);把“-”放到了缓存中，并没有真正的输出（参看《C语言的迷题》中的第一题），在fork的时候，缓存被复制到了子进程空间，所以，就多了两个，就成了8个，而不是6个。

另外，多说一下，我们知道，Unix下的设备有“块设备”和“字符设备”的概念，所谓块设备，就是以一块一块的数据存取的设备，字符设备是一次存取一个字符的设备。磁盘、内存都是块设备，字符设备如键盘和串口。块设备一般都有缓存，而字符设备一般都没有缓存。

对于上面的问题，我们如果修改一下上面的printf的那条语句为：

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printf("-\n");

或是

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2

printf("-");

fflush(stdout);

就没有问题了（就是6个“-”了），因为程序遇到“\n”，或是EOF，或是缓中区满，或是文件描述符关闭，或是主动flush，或是程序退出，就会把数据刷出缓冲区。需要注意的是，标准输出是行缓冲，所以遇到“\n”的时候会刷出缓冲区，但对于磁盘这个块设备来说，“\n”并不会引起缓冲区刷出的动作，那是全缓冲，你可以使用setvbuf来设置缓冲区大小，或是用fflush刷缓存。

我估计有些朋友可能对于fork()还不是很了解，那么我们把上面的程序改成下面这样：

面对这样的图你可能还是看不懂，没事，我好事做到底，画个图给你看看：

注意：上图中的我用了几个色彩，相同颜色的是同一个进程。于是，我们的pstree的图示就可以成为下面这个样子：（下图中的颜色与上图对应）

这样，对于printf(“-”);这个语句，我们就可以很清楚的知道，哪个子进程复制了父进程标准输出缓中区里的的内容，而导致了多次输出了。（如下图所示，就是我阴影并双边框了那两个子进程）