linux之fork函數淺析

轉自：http://blog.csdn.net/lingdxuyan/article/details/4993883

一、fork的介紹

fork函數的原型：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
/*
功能：複製進程
參數：無
返回值：  成功：  父進程：返回子進程id
                子進程：返回0
         失敗：  返回－1
*/
pid_t fork(void);

      由fork創建的新進程被稱爲子進程（child process）。該函數被調用一次，但返回兩次。兩次返回的區別是子進程的返回值是0，而父進程的返回值則是新進程（子進程）的進程 id。將子進程id返回給父進程的理由是：因爲一個進程的子進程可以多於一個，沒有一個函數使一個進程可以獲得其所有子進程的進程id。對子進程來說，之所以fork返回0給它，是因爲它隨時可以調用getpid()來獲取自己的pid；也可以調用getppid()來獲取父進程的id。(進程id 0總是由交換進程使用，所以一個子進程的進程id不可能爲0 )。

fork之後，操作系統會複製一個與父進程完全相同的子進程，雖說是父子關係，但是在操作系統看來，他們更像兄弟關係，這2個進程共享代碼空間，但是數據空間是互相獨立的，子進程數據空間中的內容是父進程的完整拷貝，指令指針也完全相同，子進程擁有父進程當前運行到的位置（兩進程的程序計數器pc值相同，也就是說，子進程是從fork返回處開始執行的），但有一點不同，如果fork成功，子進程中fork的返回值是0，父進程中fork的返回值是子進程的進程號，如果fork不成功，父進程會返回錯誤。
可以這樣想象，2個進程一直同時運行，而且步調一致，在fork之後，他們分別作不同的工作，也就是分岔了。這也是fork爲什麼叫fork的原因

至於那一個最先運行，可能與操作系統（調度算法）有關，而且這個問題在實際應用中並不重要，如果需要父子進程協同，可以通過原語的辦法解決。

二、實例

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
	pid_t pid;
	pid=fork();
	switch (pid)
	{
	case -1:
		perror("fork error");
		exit(1);
	case 0:
		printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());
		break;
	default:
		printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());
		break;
	}
     return 0;
} 

要搞清楚fork的執行過程，就必須先弄清楚操作系統中的“進程(process)”概念。一個進程，主要包含三個元素：
o. 一個可以執行的程序；
o. 和該進程相關聯的全部數據（包括變量，內存空間，緩衝區等等）；
o. 程序的執行上下文（execution context）。

不妨簡單理解爲，一個進程表示的，就是一個可執行程序的一次執行過程中的一個狀態。操作系統對進程的管理，典型的情況，是通過進程表完成的。進程表中的每一個表項，記錄的是當前操作系統中一個進程的情況。對於單 CPU的情況而言，每一特定時刻只有一個進程佔用 CPU，但是系統中可能同時存在多個活動的（等待執行或繼續執行的）進程。
一個稱爲“程序計數器（program counter, pc）”的寄存器，指出當前佔用 CPU的進程要執行的下一條指令的位置。
當分給某個進程的 CPU時間已經用完，操作系統將該進程相關的寄存器的值，保存到該進程在進程表中對應的表項裏面；把將要接替這個進程佔用 CPU的那個進程的上下文，從進程表中讀出，並更新相應的寄存器（這個過程稱爲“上下文交換(process context switch)”，實際的上下文交換需要涉及到更多的數據，那和fork無關，不再多說，主要要記住程序寄存器pc記錄了程序當前已經執行到哪裏，是進程上下文的重要內容，換出 CPU的進程要保存這個寄存器的值，換入CPU的進程，也要根據進程表中保存的本進程執行上下文信息，更新這個寄存器）。
好了，有這些概念打底，可以說fork了。當你的程序執行到下面的語句：pid=fork(); 

操作系統創建一個新的進程（子進程），並且在進程表中相應爲它建立一個新的表項。新進程和原有進程的可執行程序是同一個程序；上下文和數據，絕大部分 就是原進程（父進程）的拷貝，但它們是兩個相互獨立的進程！此時程序寄存器pc，在父、子進程的上下文中都聲稱，這個進程目前執行到fork調用即將返回（此時子進程不佔有CPU，子進程的pc不是真正保存在寄存器中，而是作爲進程上下文保存在進程表中的對應表項內）。問題是怎麼返回，在父子進程中就分道揚鑣。

（假設父進程一直佔據CPU，實際情況很可能不一樣）父進程繼續執行，操作系統對fork的實現，使這個調用在父進程中返回剛剛創建的子進程的pid（一個正整數），所以下面的swtich語句中執行了default分支（case -1，case 0分支都不滿足）。所以輸出I am the parent process...

子進程在之後的某個時候得到調度，它的上下文被換入，佔據 CPU，操作系統對fork的實現，使得子進程中fork調用返回0，所以在這個進程（注意這不是父進程了哦，雖然是同一個程序，但是這是同一個程序的另外一次執行，在操作系統中這次執行是由另外一個進程表示的，從執行的角度說和父進程相互獨立）中pid=0。這個進程繼續執行的過程中，switch語句中 case -1不滿足，但是case 0是滿足。所以輸出I am the child process..

結果輸出：

Iam the parent process, my process id is 17807

Iam the child process, my process id is 17808