29-fork 函数与文件共享

不知道大家考虑过这样的问题没：如果进程在 fork 之前打开了一些文件，那么 fork 完之后，这些文件的描述符是共享的，还是不共享的？

聪明的同学阅读了上篇《进程空间》的相关内容，脑子应该立即反应过来：父子进程的进程地址空间都是隔离的啊！所以打开的文件，应该也互不影响吧！

No! No! No! 很抱歉，上一篇我的确讲过进程空间是隔离的。为了循序渐近和压缩篇幅，我不得不相关内容挪到此篇。

进程 4GB 空间并不是完全隔离的。

实际上进程空间被分割为用户空间和内核空间。对于32 位 linux 来说，从 0-3GB 的空间是用户空间，从 3GB - 4GB 是内核空间。对于一个进程来说，是绝对无法读写内核空间的。

最重要的一点，或者精确一点，进程的用户空间是隔离的，而内核空间是共享的。看起来有点像下面的图。

图 1 进程的用户空间和内核空间

理解这一点也相当重要，这将为未来的进程通信带来可能！

1. 回忆描述符

对于一个进程来说，它所有打开的描述符，都会有记录。而且这些记录，保存该进程的 PCB 结构体中（PCB位于内核空间），该结构体有一个成员 struct file *flip[NR_OPEN]，就保存了所有打开的文件（linux 0.11）。如图 2。

图2 进程打开的文件

有一点要注意的是，struct file 结构体中的 f_inode 并不是真的直接指向磁盘文件，这中间需要经过若干的步骤，不过为了方便起见和理解，这里直接指向了磁盘文件。

2. fork 后的样子

当图 2 所示的进程 fork 后，为变成下面这个样子。

图3 fork 后的两个进程打开的文件

这时候，struct file 中的 f_count 都会自增 1.

上图告诉我们的一个事实是，fork 完后的父子进程，共享 struct file 结构（因为该结构位于内核空间）。在《APUE》 这本书中，把 struct file 称为文件表。

3. 实验

理解了前面的内容后，不如做个实验看看是否真的是这样。下面这段程序在 fork 之前以写的方式创建了一个文件 test.txt。然后 fork 出的子进程立即向文件中写入“world”，然后睡眠5秒。而父进程在 fork 后睡眠3秒后向 test.txt 写入 "hello"，并关闭描述符。子进程恢复后，又向 test.txt 文件中写入 "lalala"后关闭描述符，结束。

• 代码

// forkwrite.c#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <stdio.h>int main() {  int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0664);  if (fd == -1) {    perror("open");    return 1;  }  printf("I'm father\n");  printf("before fork\n");  pid_t pid = fork();  if (pid > 0) {    sleep(3);    printf("I'm father; I'm writing test.txt...\n");    write(fd, "hello", 5);     close(fd);  }  else if (pid == 0) {    printf("I'm child; I'm writing test.txt...\n");    write(fd, "world", 5);     sleep(5);    write(fd, "lalala", 6);     close(fd);  }  else {    perror("fork");    return 1;  }  return 0;  }

• 编译

$ gcc forkwrite.c -o forkwrite

• 运行

$ ./forkwrite

• 结果

屏幕打印：

I'm fatherbefore forkI'm child; I'm writing test.txt...I'm father; I'm writing test.txt...

生成的 test.txt 文件内容：

worldhellolalala

4. 总结

• 理解用户空间和内核空间
• 知道内核空间是所有进程共享的
• 加深对文件描述符的理解

除了打开的文件外，父进程的很多其他性质也会被子进程共享，比如各种 ID 号、当前工作目录、根目录、资源的限制、信号屏蔽字、进程环境、文件打开执行时关闭标志、共享存储段。