前言

在Linux系統(tǒng)中，進程是操作系統(tǒng)最重要的執(zhí)行單元，而父子進程的創(chuàng)建與管理更是系統(tǒng)資源分配和任務并行的關鍵。通過fork函數，Linux能夠快速高效地復制一個進程，使得父子進程協(xié)同工作成為可能。理解父子進程的運行機制不僅有助于掌握系統(tǒng)編程的核心技能，更能為優(yōu)化資源利用與提高程序性能提供理論基礎。本文將帶你從基礎原理出發(fā)，解析Linux父子進程的運行特性、fork的核心機制及其在實際開發(fā)中的應用。

一、進程PID

PID 是用來唯一標識一個進程的屬性，我們可以使用 ps 指令查看一個進程的部分屬性。進程的屬性信息是由操作系統(tǒng)來維護的，這些信息被存儲在一個 task_struct 結構體中，屬于操作系統(tǒng)內核中的數據。由于操作系統(tǒng)本身是不相信用戶的，所以用戶無法直接去訪問 task_struct 對象中的成員，因此 ps 指令能夠顯示進程的屬性信息，本質上是通過系統(tǒng)調用接口去實現的。

1.1 通過系統(tǒng)調用接口查看進程PID

獲取進程的 PID 需要用到系統(tǒng)調用接口 getpid() ，該函數會返回調用該函數的進程的 PID，返回值類型為 pid_t 。如下圖我們使用 man getpid 指令去查看 getpid 的基礎文檔：

注意上圖中還有一個 getppid 是什么呢？不難猜到，這應該是用來獲取父進程 PID 的系統(tǒng)調用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。

注意上圖中還有一個 getppid 是什么呢？不難猜到，這應該是用來獲取父進程 PID 的系統(tǒng)調用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>    
#include <sys/types.h>    

int main()    
{    
    while(1)    
    {    
        printf("I am a process, my id is: %d, parent id is: %d\n", getpid(), getppid());                                  
        sleep(1);    
    }    
    return 0;    
}

我們可以寫一個腳本來實時獲取上面這段代碼執(zhí)行起來后的進程信息。

可以看到，我一個將這段代碼執(zhí)行了兩次，每一次的子進程 PID 都在發(fā)生變化，但是父進程的 PID 從未更改。

為了保證數據的準確性，我們再使用 ps 指令對比以下獲取到的進程 PID 是否真的一樣。

while :; do ps axj | head -1 ; ps axj |grep process | grep -v grep ;  sleep 1 ; done

結論：我們用 getpid 和 getppid 得到的父子進程的 PID 和 ps 指令獲取到的進程 PID 是一樣的

二、通過系統(tǒng)調用創(chuàng)建進程-fork初識

之前我們自己創(chuàng)建進程都是通過寫一份源代碼，然后去編譯運行，最終得到一個進程，今天給大家介紹另一種通過系統(tǒng)調用接口 fork 去創(chuàng)建進程的方式。一樣的，我們使用 man fork 去查看一下 fork 的相關文檔：

大致意思就是：fork 函數會以調用該函數的進程作為父進程去創(chuàng)建一個子進程.

創(chuàng)建成功時，會在父進程中返回子進程的 PID ，在子進程中返回 0 。否則就在父進程中返回 -1 ，子進程創(chuàng)建失敗。

2.1 調用fork函數后的現象

#include <stdio.h>      
#include <unistd.h>      
#include <sys/types.h> 
int main()                                                           
{    
    printf("before:only one line\n");    
    fork();    
    printf("after:only one line\n");    
    
    return 0;    
}

如上圖所示，fork 后面的代碼執(zhí)行了兩次！這是什么原因呢？我們再寫一段代碼跑跑。

#include <stdio.h>      
#include <unistd.h>      
#include <sys/types.h> 

int main()    
{    
    printf("begin:我是一個進程，pid：%d, ppid：%d\n",getpid(), getppid());    
    
    pid_t id = fork();    
    if(id > 0)    
    {    
        while(1)    
        {    
            printf("我是父進程,pid：%d,ppid：%d\n",getpid(),getppid());    
            sleep(1);    
        }    
    }    
    else if(id == 0)    
    {    
        while(1)    
        {    
            printf("我是子進程,pid：%d,ppid：%d\n",getpid(),getppid());    
            sleep(1);    
        }    
    }    
    else    
    {    
        perror("子進程創(chuàng)建失?。n");    
    } 
    
    return 0;    
}

通過結果我們可以得出，在上面的一份代碼中 id 大于0和 id 等于0同時存在， if 和 else if 同時滿足，并且有兩個死循環(huán)在同時跑。這個現象說明此時一定存在兩個進程，即原來的 myprocess 進程和在 myprocess 進程中創(chuàng)建的子進程，因為在一個進程中 if 和 else if 是不可能同時滿足的。這也符合 fork 函數創(chuàng)建子進程的目的，fork 函數創(chuàng)建子進程后，會從原來的一個執(zhí)行流變成兩個執(zhí)行流。

2.2 為什么fork要給子進程返回0，給父進程返回子進程 pid？

1. fork 返回值的設計目的

fork 是 UNIX 系統(tǒng)中用于創(chuàng)建新進程的核心系統(tǒng)調用。調用一次 fork，系統(tǒng)會“分 裂”出兩個進程：父進程和子進程。它的返回值有以下特點：

• 在父進程中：fork 返回新創(chuàng)建的子進程的 PID，使得父進程可以通過該 PID 來管理和操作子進程（如使用 wait 或 kill 等操作）。
• 在子進程中：fork 返回 0，標識自己是子進程，無需再通過 PID 區(qū)分。

這種設計的核心目的正如您提到的，用于區(qū)分不同執(zhí)行流，即便父子共享同一套代碼，也可以根據返回值選擇性地執(zhí)行不同代碼。

2. 現實類比的深入解讀

• 父親喊“兒子”：如果不區(qū)分，所有子進程都會響應，導致混亂。通過分配唯一的 PID，每個子進程可以被單獨識別。
• 子進程喊“爸爸”：由于每個子進程只能有一個父進程，所以子進程通過調用 getppid() 即可找到其唯一的父進程。

3. 為什么子進程返回值為 0

• 簡單區(qū)分：子進程無需知道自己的 PID 來執(zhí)行自己的任務，而只需通過返回值 0 知道自己是子進程。效率和邏輯一致性：如果子進程也返回自己的 PID，會引入額外的復雜性，而且父進程需要一個單獨機制區(qū)分這些值。

2.3 一個函數是如何做到返回兩次的？如何理解？

在調用 fork 函數之前就只有一個進程，我們先來回顧一下什么是進程？進程 = 內核數據結構 + 代碼和數據，其中的內核數據結構就是進程對應的 PCB 對象。

進程的 PCB 對象會找到相應的代碼和數據，然后 CPU 就要去調度這個進程，也就是找到該進程的代碼和數據去執(zhí)行。調用 fork 函數創(chuàng)建子進程，本質上是操作系統(tǒng)多了一個進程，因此 fork 函數創(chuàng)建出來的子進程，它要先創(chuàng)建自己的 PCB 對象，子進程的 PCB 對象大部分都是以父進程的 PCB 對象為模板創(chuàng)建的，即從父進程的 PCB 對象中拷貝過來，再對部分屬性稍作修改，子進程的 PCB 對象就有了。但是它沒有自己的代碼和數據，所以只能用父進程的，所以 fork 函數之后，父子進程的代碼共享，這就解釋了為什么上面 fork 函數之后的代碼輸出了兩次，其實就是父子進程各自執(zhí)行了一次。

創(chuàng)建子進程的目的就是為了幫助父進程做不同的事情，但是父子進程共享一份代碼，所以我們應該在代碼中對它們加以區(qū)分。fork 函數就幫我們完成了這個需求，它會在父子進程中返回不同的值，用戶只需要根據返回值的不同讓父子進程執(zhí)行不同的代碼。
fork 函數的實現過程：

pid_t fork():

• 創(chuàng)建子進程

• 創(chuàng)建子進程的PCB
• 填充PCB對應的內容
• 讓子進程和父進程指向同樣的代碼
• 此時父子進程都有獨立的task_struct對象，可以被CPU調度運行了

• return ret;

由于父子進程會共享一份代碼，所以在 fork 函數執(zhí)行 return 語句之前，子進程的 PCB 對象就已經被創(chuàng)建出來了，CPU 已經可以去同時調度父子進程。由于 fork 函數中的 return 語句也是被共享的，所以 fork 函數有兩個返回值。

2.4 一個變量怎么會有不同的內容？

1. fork 的返回值如何寫入不同的變量空間

當調用 fork 時，父進程與子進程會各自接收一個返回值，并且寫入同名變量 id。但這并不意味著他們共享同一塊內存，而是因為：

• 獨立的進程地址空間
  每個進程都有自己獨立的虛擬地址空間。在 fork 之后，父進程與子進程的地址空間是彼此獨立的。盡管子進程初始時看起來與父進程完全相同，但實際上它們的數據是分離的。
• 寫時拷貝（COW）機制
  操作系統(tǒng)為提高效率并節(jié)省資源，采用了寫時拷貝技術。在 fork 之后：
  • 父子進程共享同一份內存數據，直到有一方嘗試修改這些數據。
  • 當某個進程試圖修改數據時，操作系統(tǒng)會為該進程分配新的物理內存空間，并將被修改的數據復制到新分配的空間中。

2. fork 中變量 id 的本質

在代碼中，變量 id 是存儲 fork 返回值的地方。以下幾點解釋了為什么同名變量可以存儲不同的值：

• 父子獨立運行
  fork 返回后，父子進程的執(zhí)行路徑分開。父進程的 id 變量存儲的是子進程的 PID，而子進程的 id 變量存儲的是 0。
• 不同的內存空間
  由于父子進程的地址空間獨立，id 實際上存在于兩塊不同的內存區(qū)域，即父進程的 id 和子進程的 id 是完全獨立的變量。
• 賦值過程
  fork 的返回值通過操作系統(tǒng)寫入到父子進程各自的 id 變量中： 父進程在 return 時向 id 寫入子進程的 PID。子進程在 return 時向 id 寫入 0。

結語

Linux父子進程的運行機制展示了操作系統(tǒng)設計的高效性與靈活性。從fork的返回值設計到寫時拷貝（COW）的優(yōu)化方案，這一切都體現了Linux在性能與資源利用上的巧妙平衡。通過深入理解父子進程的特性，不僅能夠提升系統(tǒng)編程的能力，還能為并發(fā)和并行程序設計提供堅實的理論支持。希望本文能為你的學習和實踐帶來啟發(fā)，在Linux系統(tǒng)的探索中邁向更高的層次。

以上就是一文詳解Linux中的fork機制的詳細內容，更多關于Linux fork機制的資料請關注腳本之家其它相關文章！

最新評論