fork函数详解

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前言

在《对进程和线程的一些总结》已经介绍了进程和线程的区别，但是在C/C++中如何创建进程呢？或者说如何编写多进程的程序呢？

什么时候需要fork进程

一种可能见到的场景是在服务器程序中，一个请求到来后，为了避免服务器阻塞，fork出一个子进程处理请求，父进程仍然继续等待请求到来。但这种方式无疑开销会稍大。

另一种最常见的就是执行一个不同的程序，例如我们在shell终端执行一条命令，实际上就是bash（或者其他）调用fork之后，在执行exec族函数。

fork

一个现有的进程可以通过fork函数来创建一个新的进程，这个进程通常称为子进程。fork函数原型如下：

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#include<unistd.h>
pid_t fork(void);

如果调用成功，它将返回两次，子进程返回值是0；父进程返回的是非0正值，表示子进程的进程id；如果调用失败将返回-1，并且置errno变量。

有的朋友可能常常会记不住返回0的时候到底是子进程还是父进程。这里教给大家一个方法。一个进程可以有多个子进程，但是一个子进程同一时刻最多只有一个父进程。子进程可以通过getppid获取父进程的进程id，但是父进程却没法获取，因此需要在fork后就得到子进程的进程id。

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//公众号【编程珠玑】，博客 https://www.yanbinghu.com
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main(void)
{
    pid_t pid;
    char testVal[128] = {0};
	FILE *fp = fopen("test.txt","w");
    if(NULL == fp)
    {
        printf("open test.txt failed\n");
        return 0;
    }
    if(-1 == (pid = fork()))//等于-1时表明fork出错
    {
        perror("fork error");
        return -1;
    }
    else if(0 == pid)//子进程
    {
        snprintf(testVal,128,"I am child，father pid is %d\n",getppid());
        fprintf(fp,"%s",testVal);
        
    }
    else  //父进程
    {
        snprintf(testVal,128,"I am parent,child pid is %d\n",pid);
        fprintf(fp,"%s",testVal);
    }
    printf("fork over,testVal is %s",testVal);
    //为了避免马上退出sleep一段时间
    sleep(100);
	fclose(fp);
    return 0;
}

并在同目录下创建一个test.txt文件，运行结果：

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fork over,testVal is I am parent,child pid is 13008
fork over,testVal is I am child，father pid is 13007

需要注意的是，不要对父进程先执行还是子进程先执行做任何假设，因为都有可能。所以，可能出现的运行结果并不一样。

fork到底做了什么

fork被调用后，子进程拥有父进程的副本，因此它拥有父进程的数据空间，堆栈等。但是由于fork之后通常会调用exec函数去执行与原进程不想关的程序，因此fork时直接拷贝父进程的副本显得没有必要。为了提高fork的效率，采用了一种写时复制的技术。即fork之后，子进程名义上拥有父进程的副本，但是实际上和父进程共用，只有当父子进程中有一个试图修改这些区域时，才会以页为单位创建一个真正的副本。

所以我们看到前面的示例程序中，父子进程都对testVal进程了修改，但是互不影响。因为它们修改了不同的区域。

子进程继承了父进程哪些属性？

由于子进程是父进程的一个副本，所以父进程有的属性，子进程也都有，这些属性包括

  • 打开的文件描述符
  • 会话ID
  • 根目录
  • 资源限制
  • 工作目录
  • 进程组ID
  • 控制终端
  • 环境
  • …

我们运行前面的示例程序之后，重新打开一个终端，找到打开test.txt文件的进程：

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$ lsof test.txt
fork    9919 root    3r   REG  252,1        0 396427 test.txt
fork    9920 root    3r   REG  252,1        0 396427 test.txt

lsof命令的用法可以参考《如何查看Linux中文件打开情况》

也可以观察进程打开的文件描述符：

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$ ls -l /proc/9919/fd
lrwx------ 1 root root 64 Aug 10 15:38 0 -> /dev/pts/1
lrwx------ 1 root root 64 Aug 10 15:38 1 -> /dev/pts/1
lrwx------ 1 root root 64 Aug 10 15:38 2 -> /dev/pts/1
lr-x------ 1 root root 64 Aug 10 15:38 3 -> /data/workspaces/practices/c/test.txt

为什么这里要特别说明打开的文件描述符呢？试想以下两点：

  • 父子进程对同一个文件进行写，将共享文件偏移
  • 如果该描述符是一个socket描述符，父进程退出后，子进程仍然打开着，父进程再次启动，将会出现端口被占用的问题。

所以如果父子进程的其中一个使用了fclose关闭了文件描述符，实际上还有另外一个进程打开了test.txt文件。

与前面testVal不同的是，如果父子进程都对文件进行写，并不会产生两个不同的文件，而是会对同一个文件进行写，因此运行后会在同一个文件里出现父子进程写的内容：

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$ cat test.txt
I am parent,child pid is 13008
I am child，father pid is 13007

父子进程有哪些不同？

  • fork之后的返回值不同，进程ID也不同
  • 子进程未处理信号设置为空
  • 子进程不继承父进程设置的文件锁
  • 一般子进程会执行与父进程不完全一样的代码流程
  • …

总结

fork用于创建进程，但是需要注意的是，子进程继承了很多父进程的东西，如果子进程不需要可以进行修改或“丢弃”，例如子进程关闭父进程打开的文件描述符等等。理解了fork的写时复制思想，也就会明白，实际上fork的速度是非常快的。本文总结点如下：

  • fork调用一次，返回两次
  • 一个进程可以有多个子进程，但同一时刻最多只有一个父进程
  • 子进程继承了父进程很多属性
  • 父子进程执行的先后顺序不一定

本文仅仅简单介绍了fork，实际上得到子进程之后，还需要对子进程的状态进行“监控”，否则会出现其他意想不到的问题。

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