linux 系統調用fork

秒殺linux下系統調用fork()面試題

爲什麼fork執行兩次呢？

http://www.itmian4.com/forum.php?mod=viewthread&tid=3248&extra=page%3D2%26filter%3Dtypeid%26typeid%3D116%26typeid%3D116

第一道題（在之前博客也寫過這道題：http://blog.csdn.net/chdhust/article/details/8535915）：

題目：請問下面的程序一共輸出多少個“-”？

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#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h>      int main(void) {    int i;    for(i=0; i<2; i++) {       fork();       printf("-"); }         return 0; }

如果你對fork()的機制比較熟悉的話，這個題並不難，輸出應該是6個“-”，但是，實際上這個程序會很tricky地輸出8個“-”。

要講清這個題，我們首先需要知道fork()系統調用的特性，

• fork()系統調用是Unix下以自身進程創建子進程的系統調用，一次調用，兩次返回，如果返回是0，則是子進程，如果返回值>0，則是父進程（返回值是子進程的pid），這是衆爲周知的。
  

• 還有一個很重要的東西是，在fork()的調用處，整個父進程空間會原模原樣地複製到子進程中，包括指令，變量值，程序調用棧，環境變量，緩衝區，等等。
  

所以，上面的那個程序爲什麼會輸入8個“-”，這是因爲printf(“-”);語句有buffer，所以，對於上述程序，printf(“-”);把“-”放到了緩存中，並沒有真正的輸出，在fork的時候，緩存被複制到了子進程空間，所以，就多了兩個，就成了8個，而不是6個。

另外，多說一下，我們知道，Unix下的設備有“塊設備”和“字符設備”的概念，所謂塊設備，就是以一塊一塊的數據存取的設備，字符設備是一次存取一個字符的設備。磁盤、內存都是塊設備，字符設備如鍵盤和串口。塊設備一般都有緩存，而字符設備一般都沒有緩存。

對於上面的問題，我們如果修改一下上面的printf的那條語句爲：

1	printf("-\n");

或是

1 2	printf("-"); fflush(stdout);

就沒有問題了（就是6個“-”了），因爲程序遇到“\n”，或是EOF，或是緩中區滿，或是文件描述符關閉，或是主動flush，或是程序退出，就會把數據刷出緩衝區。需要注意的是，標準輸出是行緩衝，所以遇到“n”的時候會刷出緩衝區，但對於磁盤這個塊設備來說，“n”並不會引起緩衝區刷出的動作，那是全緩衝，你可以使用setvbuf來設置緩衝區大小，或是用fflush刷緩存。

我估計有些朋友可能對於fork()還不是很瞭解，那麼我們把上面的程序改成下面這樣：

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#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(void) {    int i;    for(i=0; i<2; i++){       fork();       //注意：下面的printf有“n”       printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d n", getppid(), getpid(), i);    }    sleep(10); //讓進程停留十秒，這樣我們可以用pstree查看一下進程樹    return 0; }

於是，上面這段程序會輸出下面的結果，（注：編譯出的可執行的程序名爲fork）

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ppid=8858, pid=8518, i=0 ppid=8858, pid=8518, i=1 ppid=8518, pid=8519, i=0 ppid=8518, pid=8519, i=1 ppid=8518, pid=8520, i=1 ppid=8519, pid=8521, i=1      $ pstree -p | grep fork |-bash(8858)-+-fork(8518)-+-fork(8519)---fork(8521) |            |            `-fork(8520)

面對這樣的圖你可能還是看不懂，沒事，我好事做到底，畫個圖給你看看：

注意：上圖中的我用了幾個色彩，相同顏色的是同一個進程。於是，我們的pstree的圖示就可以成爲下面這個樣子：（下圖中的顏色與上圖對應）

這樣，對於printf(“-”);這個語句，我們就可以很清楚的知道，哪個子進程複製了父進程標準輸出緩中區裏的的內容，而導致了多次輸出了。（如下圖所示，就是我陰影並雙邊框了那兩個子進程）

第二道題：

   給出如下C程序，在linux下使用gcc編譯：

#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：

      已知從這個程序執行到這個程序的所有進程結束這個時間段內，沒有其它新進程執行。

      1、請說出執行這個程序後，將一共運行幾個進程。

      2、如果其中一個進程的輸出結果是“pid1:1001, pid2:1002”，寫出其他進程的輸出結果（不考慮進程執行順序）。

   這裏先列出一些必要的預備知識，對linux下進程機制比較熟悉的朋友可以略過。

      1、進程可以看做程序的一次執行過程。在linux下，每個進程有唯一的PID標識進程。PID是一個從1到32768的正整數，其中1一般是特殊進程init，其它進程從2開始依次編號。當用完32768後，從2重新開始。

      2、linux中有一個叫進程表的結構用來存儲當前正在運行的進程。可以使用“ps aux”命令查看所有正在運行的進程。

      3、進程在linux中呈樹狀結構，init爲根節點，其它進程均有父進程，某進程的父進程就是啓動這個進程的進程，這個進程叫做父進程的子進程。

      4、fork的作用是複製一個與當前進程一樣的進程。新進程的所有數據（變量、環境變量、程序計數器等）數值都和原進程一致，但是是一個全新的進程，並作爲原進程的子進程。

   有了上面的預備知識，我們再來看看解題的關鍵。我認爲，解題的關鍵就是要認識到fork將程序切成兩段。看下圖：

      上圖表示一個含有fork的程序，而fork語句可以看成將程序切爲A、B兩個部分。然後整個程序會如下運行：

      step1、設由shell直接執行程序，生成了進程P。P執行完Part. A的所有代碼。

      step2、當執行到pid = fork();時，P啓動一個進程Q，Q是P的子進程，和P是同一個程序的進程。Q繼承P的所有變量、環境變量、程序計數器的當前值。

      step3、在P進程中，fork()將Q的PID返回給變量pid，並繼續執行Part. B的代碼。

      step4、在進程Q中，將0賦給pid，並繼續執行Part. B的代碼。

      這裏有三個點非常關鍵:

      1、P執行了所有程序，而Q只執行了Part. B，即fork()後面的程序。（這是因爲Q繼承了P的PC-程序計數器）

      2、Q繼承了fork()語句執行時當前的環境，而不是程序的初始環境。

      3、P中fork()語句啓動子進程Q，並將Q的PID返回，而Q中的fork()語句不啓動新進程，僅將0返回。

解題

      下面利用上文闡述的知識進行解題。這裏我把兩個問題放在一起進行分析。

      1、從shell中執行此程序，啓動了一個進程，我們設這個進程爲P0，設其PID爲XXX（解題過程不需知道其PID）。

      2、當執行到pid1 = fork();時，P0啓動一個子進程P1，由題目知P1的PID爲1001。我們暫且不管P1。

      3、P0中的fork返回1001給pid1，繼續執行到pid2 = fork();，此時啓動另一個新進程，設爲P2，由題目知P2的PID爲1002。同樣暫且不管P2。

      4、P0中的第二個fork返回1002給pid2，繼續執行完後續程序，結束。所以，P0的結果爲“pid1:1001, pid2:1002”。

      5、再看P2，P2生成時，P0中pid1=1001，所以P2中pid1繼承P0的1001，而作爲子進程pid2=0。P2從第二個fork後開始執行，結束後輸出“pid1:1001, pid2:0”。

      6、接着看P1，P1中第一條fork返回0給pid1，然後接着執行後面的語句。而後面接着的語句是pid2 = fork();執行到這裏，P1又產生了一個新進程，設爲P3。先不管P3。

      7、P1中第二條fork將P3的PID返回給pid2，由預備知識知P3的PID爲1003，所以P1的pid2=1003。P1繼續執行後續程序，結束，輸出“pid1:0, pid2:1003”。

      8、P3作爲P1的子進程，繼承P1中pid1=0，並且第二條fork將0返回給pid2，所以P3最後輸出“pid1:0, pid2:0”。

      9、至此，整個執行過程完畢。

      所得答案：

      1、一共執行了四個進程。（P0, P1, P2, P3）

      2、另外幾個進程的輸出分別爲：

      pid1:1001, pid2:0

      pid1:0, pid2:1003

      pid1:0, pid2:0

      進一步可以給出一個以P0爲根的進程樹：

代碼驗證結果：




第三道題：



請補足橫線，使之輸出welcome xiyoulinux
if(_____)
printf(“xiyoulinux ”);
else
printf(“welcome”);



這道題如果在if中只寫fork()，也不知道打印出來什麼順序的，所以想到函數wait()，等待子進程結束。


程序改寫爲：






運行結果：




可見這樣纔得到了正確的運行結果。


第四道題：

int main()

{

    return fork()&&fork()||fork();

}

問題：1.一共產生幾個進程  2.返回值爲1的概率爲多少？這道題一看頭都暈了，但是抓其根本，再難也都能解決的！！
其實對於fork的分析，最直觀的做法也最有效，畫出進程關係圖，兩個問題便迎刃而解這裏要用到的有關fork的知識並不多，只需要知道fork的返回值：fork是一次調用，兩次返回；子進程的返回值爲0，父進程的返回值是新產生子進程的進程號(大於0)。對於&&操作符，若前操作數爲0，則直接跳過後操作數的判斷。基於以上兩個基本理論，通過圖示，即可得出結論： 

圖中同一色彩的框圖代表同一進程，可見，此時共產生5個進程；結合表達式的最終值分佈情況可得，返回1的概率爲3/5

造成此種結果，最主要的誘因，是fork()後，父進程與子進程返回沒有先後順序，有時父進程先返回，有時子進程先返回。所以，根據父子進程返回的不同結果，邏輯運算符&&和||選擇是否執行其後的程序代碼(此處即爲fork)。


第五道題(EMC的一道筆試題)

• int main(int argc, char* argv[])  
• {  
•    fork();  
•    fork() && fork() || fork();  
•    fork();  
• }  
• 不算main這個進程自身，到底創建了多少個進程啊？  
  

這道題和第四道題比較類似，第一個fork()和最後一個fork()一定會執行，中間的同上圖，在這裏不畫了。
所以這道題解法爲：加上前面的fork和最後的fork，所有的進程都會執行，會產生4個分支，總共4*5=20個分支，也就是20個進程，除去main主進程，就是19個進程了。

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