【进程控制】fork 函数和 vfork 函数

【进程控制】fork 函数和 vfork 函数

1. 函数 fork

一个现有进程可以调用 fork 函数来创建一个新进程：

#include  // fork函数定义在该头文件

pid_t fork(void);
// fork函数被调用1次，返回2次
// 子进程 ： 返回0
// 父进程 ： 返回子进程ID
//   出错 ： 返回-1

​ fork 函数有如下特点：

（1）fork 函数被调用1次，返回2次，2次返回的区别是：子进程返回0，父进程返回子进程的ID;

（2）子进程和父进程继续执行fork调用后的指令。子进程是父进程的副本，它获得了父进程 数据空间、堆和栈的副本。注意，这是子进程所拥有的副本，父进程和子进程并不共享这些存储空间部分，它们共享的是正文段。

（3）由于 fork 后经常跟随着 exec，所以很多实现并不执行一个父进程数据段、栈和堆的完全副本。作为替代，使用 写时复制 技术。这些区域由父进程和子进程 共享，而且内核将它们的访问权限设为 只读。如果父进程或子进程中的一个试图修改这些区域，则内核 只为修改区域的那块内存制作一个副本，通常是虚拟存储系统中的“一页”。

fork函数使用的一个例子：

#include 
#include 
#include 


int var1 = 10;
char buf[] = "I am writting ! \n";

int main() {
	pid_t pid;

	int var2 = 20;

    // write函数是不带缓冲的
    // sizeof(buf)-1 是为了防止将终止符写入
	if(write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf)-1) != sizeof(buf)-1) {
		fprintf(stderr, "write error !\n");
		exit(-1);
	}
	printf("before fork\n");

	if((pid = fork()) < 0) {
		perror("fork error");
	} else if(pid == 0) {
		var1++;
		var2++;
	} else {
		sleep(2);
	}

	printf("pid = %ld, var1 = %d, var2 = %d\n", long(pid), var1, var2);

	exit(0);
}

运行结果：

$ ./a.out
I am writting !
before fork
pid = 0, var1 = 11, var2 = 21
pid = 136, var1 = 10, var2 = 20  // 父进程的变量没有被改动

$ ./a.out > b.out
$ cat b.out
I am writting !
before fork
pid = 0, var1 = 11, var2 = 21
before fork
pid = 138, var1 = 10, var2 = 20  // 父进程的变量没有被改动

【代码分析】

（1） write 函数

#include 

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
// 从buf中读取 nbytes 个字节到文件 fd 中
// 若成功，返回已写的字节数
// 若失败，返回-1

write 函数是不带缓冲的，上例在fork之前调用了该函数，因此其数据写道标准输出一次；

（2）文件描述符

#include   // 文件描述符定义在该头文件中

幻数0 ： STDIN_FILENO    // 标准输入
幻数1 ： STDOUT_FILENO	//  标准输出
幻数2 ： STDERR_FILENO   //  标准出错

（3）printf 是标准 I/O 库，标准 I/O 库是带缓冲的，并且：

​ A. 如果标准输出连接着 终端设备，则它是 行缓冲 的；
​ B. 其它情况下，它是 全缓冲 的。

​ 当以 交互方式 运行该程序时（即第1次运行），标准输出缓冲区被换行符冲洗，因此只得到 printf 输出的行一次；

​ 当 将标准输出重定向到一个文件 时（即第2次运行），在fork之前调用了一次 printf，但当调用 fork 时，由于此时是全缓冲，因此这些数据仍在缓冲区内，然后在将父进程数据空间复制到子进程中时，该缓冲区的数据也被复制到了子进程中，此时父进程和子进程各自有了带该行内容的缓冲区。则 exit 之前的第二个 printf 会 将其数据追加到已有缓冲区中。当进程终止时，其缓冲区中的内容被写到相应的文件中。

（4）父进程和子进程每个相同的打开描述符共享一个文件表项，因此，在重定向了父进程的标准输出时，子进程的标准输出也被重定向。

2. 函数 vfork

vfork 函数的 调用序列和返回值 与fork相同，但 二者的语义不同：

（1）vfork 函数用于创建一个新进程，该新进程的目的是 exec 一个新程序

​ vfork 和 fork 一样都创建一个子进程，但是它 并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会 **立即调用 exec （或 exit）**而不会引用该地址空间。要注意的是，子进程在调用 exec 或 exit 之前，它在父进程的空间运行，因此，如果子进程 修改数据（除了用于存放 vfork 返回值的变量）、进行函数调用、或者没有调用 exit 或 exec 就返回，则都可能带来未知的后果。

（2）vfork 保证子进程先行

​ vfork保证 子进程先行。在子进程调用 exec 或 exit 之后，父进程才可能被调度运行；当子进程调用这两个函数中的一个时，父进程会恢复运行（如果在调用这两个函数前，子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致 死锁）。

函数 vfork 的使用例子：

#include 
#include 
#include 

int var1 = 10;

int main() {
	pid_t pid;

	int var2 = 20;

	printf("before fork\n");

	if((pid = vfork()) < 0) {
		perror("fork error");
	} else if(pid == 0) {
		var1++;
		var2++;
		_exit(0);  // _exit不执行冲洗操作
	} 

	printf("pid = %ld, var1 = %d, var2 = %d\n", long(pid), var1, var2);

	exit(0);  // exit执行冲洗操作
}

执行结果：

$ ./a.out
before fork
pid = 148, var1 = 11, var2 = 21  // 父进程的变量被改了

【代码分析】

（1）因为子进程在父进程的地址空间中运行，因此子进程对变量的操作，会改变父进程中的变量值；

（2）子进程调用的是 _exit 而不是 exit。exit 会实现冲洗标准 I/O 流，因此如果子进程调用的是 exit，那么会出 现两种情况：

​ A. 如果 函数库采取的唯一操作就是冲洗 I/O 流，那么此时得到的输出结果与子进程调用 _exit 时得到的输出结果是一样的；

​ B. 如果 该实现也关闭了 I/O 流，那么表示标准输出 FILE 对象的相关存储区将被清0.因为子进程借用了父进程的地址空间，因此当父进程恢复运行并调用 printf 的时候，printf 会返回-1，即不会产生任何输出结果。