LInux: fork()究竟是如何工作的？为何一个变量能够接受两个返回值？

Myth丶恋晨 2024-04-06 15:39 105阅读 0赞

#### LInux: fork函数究竟是如何工作的？为何一个变量能够接受两个返回值？ ####

*  前言
 *  一、fork()用法
 *  二 、fork()应用实例展示
 *  三、fork()工作原理
 *   *  3.1 为什么要创建子进程？
     *  3.2 fork()究竟干了些什么？
     *  3.3 fork为什么会存在两个返回值？
     *  3.5 为何fork函数中父进程返回子进程的pid、子进程返回0？
     *  3.5 父进程和子进程谁先运行？
     *  3.6 为何同一个变量接收两个返回值
 *  四、fork创建子进程失败原因

## 前言 ##

在Linux中，创建进程有两种方式：

1.  在命令行中直接启动进程。例如在命令行中输入pwd、tar等命令后，操作系统会直接加载，运行相应的进程。
2.  通过代码创建进程 —— fork()函数。

在Linux中，查看进程最常用的两种方式：

1.  使用`ps axj 或 ps aux`指令查看进程。
2.  使用`ls /proc`指令查看当前已加载到内存中所有的进程。

## 一、fork()用法 ##

fork()是一个`系统调用接口函数`。

![在这里插入图片描述][3dc8b94677ed4403b8f4d2a06944cf6b.png]

fork()的原型是`pid_t fork(void)`，其中pid\_t是一个整型int的别名。  
 使用fork()，系统会以当前进程为模板，创建子进程（创建子进程时，OS会将当前进程的大部分属性来初始化子进程，而对于子进程的pid、ppid等属性则是单独实现）。同时对于父进程，fork()函数会返回子进程的pid；而对于子进程来说，fork()函数直接返回0！并且文档中明确表示fork()函数创建进程通常是成功的，所有返回值为负数一般忽略。

## 二 、fork()应用实例展示 ##

下面我们在`process.c`中有这样一段代码：

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
     
    int main()
    {
        //getpid()、getppid()都是系统调用，分别返回当前进程的pid和ppid
         printf("我是一个进程，我的pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
    	 pid_t id = fork();
         if(id == 0)
         {
        
           while(1)
            {
        
                 printf("我是子进程，我的pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid()); 
                 sleep(1);
             }
         }
         else if(id > 0)
         {
        
             while(1)
             {
        
                printf("我是父进程，我的pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());
                 sleep(1);
             }
         }
         else
         {
        //返回失败
         	return 1:
         }
         return 0;
    }

我们用[Makefile、make][Makefile_make]对上述代码进行编译、运行看看会发生什么？

【动画展示】：  
![请添加图片描述][c7e3dbc8f1f44f2aaddae6fef12b951c.gif]

我们发现fork()前的代码只执行了一次（一定是父进程执行），但fork()后的两个判断条件中的代码都执行了（即两个while循环）这也进一步说明了fork()后，操作系统会创建一个子进程！！

tips:

*  上述展示视频中左边是一个监视进程的脚本，可以不断循环打印目标进程的相关属性信息。脚本如下：（如果需要监视其他进程信息，只需将脚本中的myprocess改成目标可执行程序即可！

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess | grep -v "grep"; sleep 1; echo "#########################################################"; done

## 三、fork()工作原理 ##

### 3.1 为什么要创建子进程？ ###

父进程创建子进程通常是希望子进程来协助父进程来完成一些工作，这些工作是单进程无法实现的。

例如：用户在下载某一款软件时，同时存在播放该款软件的官方宣传视频的需求。这就需要子进程来协助父进程来达到边下载边播放的目的。即通过一定手段（通常时fork()的返回值），让父子进程分别执行不同的代码！

### 3.2 fork()究竟干了些什么？ ###

fork()创建进程后，OS中会多一个进程(子进程)。在创建过程中，Linux操作系统会为子进程创建对应的PCB,并用父进程的大部分属性来初始化子进程的相关属性（如子进程的pid、ppid、所在路径等属性信息则是单独实现）。最后将该进程链入到运行队列中，等待CPU的调度！！

而进程 = 代码 + 内核数据结构和数据，并且进程间时是相互独立的。而进程中的代码和数据等是操作系统在创建该进程时，从磁盘上加载拷贝到内存中的。**但创建的子进程是直接在内存中创建的，子进程并没有相应的代码和数据，那要怎么解决这个问题呢？**

实际上，代码只是用于读取的。所以Linux中fork()创建的子进程和父进程共用同一段代码。但对于数据来说，父/子进程间必然会存在差异（比如pid、ppid等）。同时为了保证父/子进程间的独立性，必须在父/子进程中各自独立私有一份。而在Linux中采用了写时拷贝的方式来解决这个问题。

** 下一个问题就是为啥我们在前面动画展示中，fork()创建出的子进程只执行fork()后的代码？在fork()前的代码子进程能否“看见”呢？**

答案是子进程能看见fork()前的所有代码！至于为啥子进程只执行fork()后的代码，这是由于代码运行过程中，存在诸如epi、pc等寄存器。这些寄存器中会保存当前指令要执行的下一条指令的地址。而fork()创建子进程过程中，父进程中pc、epi等寄存器的结果也“继承”给了子进程。所以才出现子进程只运行执行fork()函数后的代码！

### 3.3 fork为什么会存在两个返回值？ ###

fork()是一个函数，其存在返回值。fork()在执行是，操作系统内核做了如下工作：分配新的内存块和数据结构给子进程、将父进程的部分内核数据结构拷贝给子进程、添加子进程到系统进程列表中，调度器开始调度。

fork()函数执行完后，已经完成了创建子进程、将子进程添加到调度队列中等工作。当父进程和子进程在调度队列中被调度时，两个进程都需要执行`return`语句，都需要返回一个值！所以fork存在两个返回值！（操作系统通过寄存器来实现返回值返回两次）（真正原因其实在于地址空间的实现）

### 3.5 为何fork函数中父进程返回子进程的pid、子进程返回0？ ###

对于一个进程，其父进程是唯一确定的，但其子进程可能存在多个。就像我们生活中，一个孩子的爹是唯一确定的；但对于一个父亲，其可能存在多个孩子。  
 而父进程和子进程之间是管理和被管理的关系。父进程为了更好的管理好子进程，所以fork函数在创建子进程后返回子进程pid；对于子进程来说，其只需管理好自身即可，所以返回0。

### 3.5 父进程和子进程谁先运行？ ###

我们已经看到了fork()函数会创建一个子进程。创建完子进程后，子进程会被加载链接到系统进程列表中等待CPU调度运行。  
 至于父进程和子进程谁先被CPU调度是不确定的。进程被调度的先后顺序由各自的PCB中的调度信息（时间片 + 优先级等）+ 调度器算法确定。换句话说，父进程和子进程谁先运行是由操作系统决定的！

### 3.6 为何同一个变量接收两个返回值 ###

我们前面已经提到过了进程是相互独立的，为例保存fork()创建出的子进程和父进程之间的独立性，我们所采用的解决办法是：父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图:  
![在这里插入图片描述][c3d4edfbda294f079cdccc72bf3ced68.png]  
 操作系统在创建子进程时，会先将父进程页表中的访问权限大部分改为只读权限。然后以父进程为模板，将数据拷贝给子进程。当子进程或父进程对数据试图修改数据，由于页表中的访问权限为只读。此时该行为会被操作系统识别到。并分为以下两种情况：

1.  如果代码和数据所处区域本身就是只读的（如：代码区、字符常量区），此时OS认为该行为非法被拦截。
2.  原本数据可读可写，但操作系统将对应页表中的访问权限设置为只读。当操作系统识别到该信息时，操作系统并不会将行为视为错误，而是作为重新申请内存拷贝内容的一种策略机制。此时操作系统会重新申请开辟空间，拷贝和修改数据，并修改页表中的映射关系。

## 四、fork创建子进程失败原因 ##

在Linux中，fork()创建子进程失败通常由有以下两种原因：

1.  系统中有太多的进程。操作系统内存不足。
2.  实际上，用户使用fork()创建子进程是有次数限制的。当超过该范围时，fork创建子进程失败！

[3dc8b94677ed4403b8f4d2a06944cf6b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/a08296cc5abb466ea062f00833516492.png
[Makefile_make]: http://t.csdnimg.cn/4T2WE
[c7e3dbc8f1f44f2aaddae6fef12b951c.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/cbcb1d4a6c584bc89177a33a8828917f.gif
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