Linux系统之fork函数详解

1. fork是什么

首先我们要了解fork是什么函数？

复刻（英语：fork，又译作派生、分支）是UNIX或类UNIX中的分叉函数，在Linux中执行man fork即可认识fork。

根据文档描述我们可以知道，fork系统调用用于创建一个新进程，称为子进程，它与进程（称为系统调用fork的进程）同时运行，此进程称为父进程。创建新的子进程后，两个进程将执行fork()系统调用之后的下一条指令。

2. fork函数初识

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

// pid_t是一个宏定义，其实质是 int 被定义在#include <sys/types.h>中，pid_t定义的类型都是进程号类型。
// 返回值：若成功调用一次则返回两个值，子进程返回 0，父进程返回子进程PID（一个正数)。出错返回 -1。

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序。

int main()
{
	pid_t pid;
	printf("Before: pid is %d\n", getpid());
	if ( (pid=fork()) == -1 )
    {
        perror("fork()");
    	exit(1);
    }
	printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
	sleep(1);
	return 0;
}
//运行结果：
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677
After:pid is 43677, fork return 0

这里看到了三行输出，一行Before，两行After。进程43676先打印Before消息，然后打印After。另一个After消息是进程43677打印的。注意到进程43677没有打印before，为什么呢？

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核会：

分配新的内存块和内核数据结构给子进程
将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
添加子进程到系统进程列表当中
fork返回，开始调度器调度

所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

3. 写时拷贝

通常，父子进程代码共享，父子进程再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入数据时，便以写时拷贝的方式各自一份副
本。具体见下图:

4. fork函数具体实例

下面我用几个例子帮助大家更好的理解fork调用的细节。

例1：

int main()
{
    fork();//fork1
    fork();//fork2
    printf("hello world\n");
    return 0;
}

我们规定，main进程编号为父1

第一次fork，创建新的进程子1，和原本父1。

第二次fork，父1和子1分别创建新进程子2和子3，原来存在着父1和子1。

经历两次fork后，一共四个进程，打印四次hello。

例2：

int main()
{
    for(int i = 0;i < 2;i++)
    {
        fork();
        printf("A\n");//遇到\n会自动刷新缓冲区
    }
    exit(0);
}

for循环执行2次，i=0时，第一次fork，父1创建新进程子1，父1和子1各自执行完毕代码，打印两个A。

父1和子1在打印过后，两个进程都i++，进入i=1的循环中，fork之后父1创建进程子2，子1创建进程子3，四个进程，打印4个A。

例3：

int main()
{
    for(int i = 0;i < 2;i++)
    {
        fork();
        printf("-");//不会刷新缓冲区
    }
    exit(0);
}

这题的关键点在于printf函数中没有’\n’，所以不会在执行完printf函数后立即刷新缓冲区，还会将要打印的字符放在缓冲区中，直到程序结束，才一次性打印到屏幕上。

注意：父子进程代码共享，当任意一方试图写入数据时，便以写时拷贝的方式各自一份副本。所以父子进程拥有同样的缓冲区。

这个程序一共有4个进程，执行了6次printf，前两次的printf没有打印到显示器，只是存在了缓冲区中，后四次的printf在原先的缓冲区中追加了“-”，也就是说后四次printf每一次打印“–”，一共是8个“-”。

例4：

int main()
{
	fork() || fork();
	printf("A\n");
	exit(0);
}

首先我们要知道 || 是如何执行的，举个例子：

A || B ，从左到右，如果A为真，不执行B，直接返回。如果A为假，执行B，根据B的真假返回。

在本题中，第一次fork后出现了两种情况，父进程自己返回一个 >0 的数，可以看做为真，所以不执行第二个fork，直接printf打印，但fork出来的子进程返回 ==0 还需要执行第二个fork才可以判断，所以子进程又创建了一个子进程。

例5：

int main()
{
	fork() && fork();
	printf("A\n");
	exit(0);
}

与上一题类似，A && B; 执行时，如果A为真，继续执行B。如果A为假，不执行B。

第一次fork后出现了两种情况，第一次fork出来的子进程返回 ==0 ，不执行第二个fork，直接printf打印。父进程自己返回一个 >0 的数，可以看做为真，执行第二个fork，父进程又创建了一个子进程，分别打印。

例6：

int main()
{
   fork();
   fork() && fork() || fork();
   fork();
}

第一个fork之后，新建一个子进程，因为进程过多，且这两个父子进程完全相同，所以我们只分析一边。

第二个fork之后，分为两种情况，父进程 >0 继续执行第三个fork，子进程 ==0不执行第三个fork，执行第四个fork。

第三个fork之后，又分为两种情况，父进程 >0 ，&&运算之后依旧为真，不执行第四个fork。子进程 ==0，&&运算过后为假，执行第四个fork。

第四个，第五个fork均无特殊情况出现。

最后统计父进程下一共有10个进程，子进程同样也有10个，总计20个进程。