【linux】从一道面试题谈linux下fork的运行机制

今天一位朋友去一个不错的外企面试linux开发职位，面试官出了一个如下的题目：

      给出如下c程序，在linux下使用gcc编译：

 

 #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：

 

      已知从这个程序执行到这个程序的所有进程结束这个时间段内，没有其它新进程执行。

      1、请说出执行这个程序后，将一共运行几个进程。

      2、如果其中一个进程的输出结果是“pid1:1001, pid2:1002”，写出其他进程的输出结果（不考虑进程执行顺序）。

      明显这道题的目的是考察linux下fork的执行机制。下面我们通过分析这个题目，谈谈linux下fork的运行机制。

　　预备知识

      这里先列出一些必要的预备知识，对linux下进程机制比较熟悉的朋友可以略过。

      1、进程可以看做程序的一次执行过程。在linux下，每个进程有唯一的pid标识进程。pid是一个从1到32768的正整数，其中1一般是特殊进程init，其它进程从2开始依次编号。当用完32768后，从2重新开始。

      2、linux中有一个叫进程表的结构用来存储当前正在运行的进程。可以使用“ps aux”命令查看所有正在运行的进程。

      3、进程在linux中呈树状结构，init为根节点，其它进

 

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程均有父进程，某进程的父进程就是启动这个进程的进程，这个进程叫做父进程的子进程。

 

      4、fork的作用是复制一个与当前进程一样的进程。新进程的所有数据（变量、环境变量、程序计数器等）数值都和原进程一致，但是是一个全新的进程，并作为原进程的子进程。

　　解题的关键

      有了上面的预备知识，我们再来看看解题的关键。我认为，解题的关键就是要认识到fork将程序切成两段。看下图：

      上图表示一个含有fork的程序，而fork语句可以看成将程序切为a、b两个部分。然后整个程序会如下运行：

      step1、设由shell直接执行程序，生成了进程p。p执行完part. a的所有代码。

      step2、当执行到pid = fork();时，p启动一个进程q，q是p的子进程，和p是同一个程序的进程。q继承p的所有变量、环境变量、程序计数器的当前值。

      step3、在p进程中，fork()将q的pid返回给变量pid，并继续执行part. b的代码。

      step4、在进程q中，将0赋给pid，并继续执行part. b的代码。

      这里有三个点非常关键:

      1、p执行了所有程序，而q只执行了part. b，即fork()后面的程序。（这是因为q继承了p的pc-程序计数器）

      2、q继承了fork()语句执行时当前的环境，而不是程序的初始环境。

      3、p中fork()语句启动子进程q，并将q的pid返回，而q中的fork()语句不启动新进程，仅将0返回。

　　解题

      下面利用上

 

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文阐述的知识进行解题。这里我把两个问题放在一起进行分析。

 

      1、从shell中执行此程序，启动了一个进程，我们设这个进程为p0，设其pid为xxx（解题过程不需知道其pid）。

      2、当执行到pid1 = fork();时，p0启动一个子进程p1，由题目知p1的pid为1001。我们暂且不管p1。

      3、p0中的fork返回1001给pid1，继续执行到pid2 = fork();，此时启动另一个新进程，设为p2，由题目知p2的pid为1002。同样暂且不管p2。

      4、p0中的第二个fork返回1002给pid2，继续执行完后续程序，结束。所以，p0的结果为“pid1:1001, pid2:1002”。

      5、再看p2，p2生成时，p0中pid1=1001，所以p2中pid1继承p0的1001，而作为子进程pid2=0。p2从第二个fork后开始执行，结束后输出“pid1:1001, pid2:0”。

      6、接着看p1，p1中第一条fork返回0给pid1，然后接着执行后面的语句。而后面接着的语句是pid2 = fork();执行到这里，p1又产生了一个新进程，设为p3。先不管p3。

      7、p1中第二条fork将p3的pid返回给pid2，由预备知识知p3的pid为1003，所以p1的pid2=1003。p1继续执行后续程序，结束，输出“pid1:0, pid2:1003”。

      8、p3作为p1的子进程，继承p1中pid1=0，并且第二条fork将0返回给pid2，所以p3最后输出“pid1:0, pid2:0”。

      9、至此，整个执行过程完毕。

      所得答案：

      1、一共执行了四个进程。（p0, p1, p2, p3）

      2、另外几个进程的输出分别为：

      pid1:1001, pid2:0

      pid1:0, pid2:1003

      pid1:0, pid2:0

      进一步可以给出一个以p0为根的进程树：

　　验证

      下面我们去linux下实际执行这个程序，来验证我们的答案。

      程序如下图：

      用gcc编译、执行后结果如下：

      由于我们不太可能刚巧碰上pid分配到1001的情况，所以具体数值可能和答案有所差别。不过将这里的2710看做基数的话，结果和我们上面的解答是一致的。

　　总结

      应该说这不是一道特别难或特别刁钻的题目，但是由于fork函数

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