Linux进程创建之fork浅析

在Linux 内核中，无时无刻不维护着进程，从进程的创建到进程销毁，每一个环境都有着复杂的细节。本篇介绍Linux 内核如何创建进程，深入理解 fork 函数以及子进程的创建，对理解多进程开发也至关重要。

fork() 函数

首先来看下fork() 函数，其作用是创建子进程。头文件与函数原型如下

#include <unistd.h>

// 参数	： void 
// 返回值： pid_t 创建的子进程ID
pid_t fork(void);

返回值：fork() 返回值会返回两次，分别在父进程和子进程中返回。

在父进程中返回子进程的ID，在子进程中返回0。所以可以通过fork 的返回值来区分父进程与子进程。
在父进程中返回 -1 ，表示创建子进程失败，并设置 errorno。如下面两种情况导致创建失败：

当前系统的进程数已经达到了系统规定的上限，这时 errno 的值被设置为EAGAIN
系统内存不足，这时 errno 的值被设置为 ENOMEM

fork() 示例

下面创建一个子进程，来说明父进程与子进程的执行顺序。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>


int main(){
	// 创建进程
	pid_t pid = fork();

	// 判断当前进程是父进程 还是子进程
	if (pid > 0){			// 进程号 > 0，即为子进程的进程号，当前为父进程
		printf("pid: %d\n", pid);
		printf("I am parent process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
	}
	else if (pid == 0){		// 进程号 == 0，表示当前为子进程
		printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
	}
	
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		printf("pid: %d, i : %d\n", getpid(), i);
        sleep(1);
	}
	return 0;
}

编译执行，可以看到，子进程创建成功，两个进程同时执行，父进程ID 为412552，子进程ID为512553，由于sleep() 函数，使得函数阻塞，所以父进程与子进程交替执行。

fork-

父子进程的虚拟地址空间

通过 fork函数创建进程后，可以通过返回值判断是父进程还是子进程。对于父进程与子进程如何执行，下面介绍fork函数调用后，父子进程如何执行，在进程中虚拟地址空间中如何体现。

首先，我们先看一下上述示例的执行顺序，父进程执行执行fork后，返回子进程ID，pid 大于0，所以输出 if(pid>0) 的内容。

子进程在创建成功后，在子进程中返回 0，从当前位置开始执行，所以 pid=0 会输出 else 语句。子进程执行魂虚

对于虚拟空间地址来说，子进程会拷贝父进程的虚拟地址空间。所以，fork后子进程的用户区与父进程的用户区相同，也会拷贝内核区内容，仅仅是进程的 pid不同。

父子进程的虚拟地址空间

对于父进程中的栈空间的变量，也会原封不动的拷贝至子进程的栈空间中。但这两个变量互不影响，父进程改变变量不会影响子进程变量。看如下程序展示父子进程中栈空间变量的使用。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>


int main(){
	// 创建进程
	pid_t pid = fork();

	// 局部变量
	int num = 10;

	// 判断当前进程是父进程 还是子进程
	if (pid > 0){			// 进程号 > 0，即为子进程的进程号，当前为父进程
		printf("I am parent process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());

		printf("parent process num : %d\n", num);
		num += 10;
		printf("parent process num + 10 : %d\n", num);

	}
	else if (pid == 0){		// 进程号 == 0，表示当前为子进程
		printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());

		printf("child process num : %d\n", num);
		num += 100;
		printf("child process num + 100 : %d\n", num);
	}
	
	return 0;
}

编译执行，可以看到，父进程中的局部变量num 与子进程的局部变量互不影响。 num

读时共享，写时拷贝

实际上，准确的来说，Linux的fork 是通过 写时拷贝 (copy-on-write)实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至不用避免拷贝的技术。更具体来讲，在执行fork语句后，内核并不复制父进程的整个地址空间，而是父子进程共享父进程的地址空间（此时父子进程对于地址空间是只读指令），在父进程或者子进程进行写指令时，子进程才会复制一份地址空间，从而使得父子进程拥有自己的虚拟地址空间，在自己的地址空间进行写操作。也就是说，资源的复制是在需要写入时才会进行，在此之前，只会以只读方式进行共享。

对于文件资源，fork之后的父子进程共享文件，fork之后的父进程与子进程的文件描述符表指向相同的文件表，引用计数增加，共享文件偏移指针。

fork函数就介绍到这里了，本篇介绍了创建子进程的过程，理解父子进程间虚拟地址空间的共享与复制。在多线程开发中，可以轻松分析父子进程的执行顺序与内存共享。

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