UNIX(编程-进程处理):08---进程创建（fork、vfork）

一、fork()

#include 
pid_t fork(void);

//返回：子进程返回0，父进程返回子进程ID，出错为-1

• 功能：fork可用于创建一个子进程
• fork的返回值：fork函数被调用一次，但返回两次
  • 成功时：
    • 子进程的PID将在父进程中返回
    • 而0将在子进程中返回
  • 失败时：返回-1：是在父进程中返回，不创建子进程，并且正确设置errno

创建的子进程与父进程之间的关系

• ①fork函数复制当前进程，在内核进程表中创建一个新的进程表项，子进程是父进程的副本。例如，子进程获得父进程数据空间、堆和栈、标志寄存器的值的副本（缓冲区的数据也会拷贝到子进程，下面有案例介绍）
• ②因为子进程是副本。所以子进程只是拷贝父进程的内容，但是父、子进程并不共享这些存储空间部分
• ③父、子进程共享正文段

子进程继承父进程的其他性质

• 实际用户ID、实际组ID、有效用户ID、有效组ID、添加组ID、进程组ID、对话期I D
• 控制终端、设置-用户-ID标志和设置-组-ID标志、当前工作目录、根目录、文件方式创建屏蔽字、信号屏蔽和排列、对任一打开文件描述符的在执行时关闭标志、环境、连接的共享存储段、资源限制

父、子进程之间的区别

• fork的返回值、进程ID、不同的父进程ID
• 子进程的tms_utime ,tms_stime , tms_cutime, 以及tms_cstime设置为0
• 父进程设置的锁子进程不继承
• 子进程的未处理闹钟被清除。信号位图被清除（原进程设置的信号处理函数不再对新进程起作用）
• 子进程的未处理信号集设置为空集

fork的两种用法

• 一个父进程希望复制自己，使父、子进程同时执行不同的代码段。这在网络服务进程中是常见的——父进程等待委托者的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求
• 一个进程要执行一个不同的程序。这对shell是常见的情况。在这种情况下，子进程在从fork返回后立即调用exec
• 注意：当父、子进程分别从自己的if或else if语句中返回时，都会各自执行main函数的剩余部分

写时复制（copy on write）

• 子进程的代码与父进程完全相同，同时它还会复制父进程的数据（堆数据、栈数据、静态数据）。由于在fork之后经常跟随着exec，所以现在的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，数据的复制采用的是写时复制（copy-on-write ，COW）技术
• 写时复制是指：即只有在任一进程（父进程或子进程）对数据执行了写操作时，复制才会发生（先是缺页中断，然后操作系统给子进程分配内存并复制父进程的数据）
• 这些区域由父、子进程共享，而且内核将它们的访问权限改变为只读
• 如果父、子进程中的任一试图修改这些区域，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的一“页”

演示案例

int globvar = 6;
char buf[] = "a write to stdout\n";
int main(void)
{
    int var; 
    pid_t pid;
    var = 88;
    if (write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf)-1) != sizeof(buf)-1)
        perror("write error");
    printf("before fork\n"); 
    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork error");
    } 
    else if (pid == 0) { 
        globvar++;
        var++;
    } 
    else {
        sleep(2); 
    }
    printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long)getpid(), globvar,var);
    exit(0);
}

演示效果1：

• 先打印信息
• 然后打印子进程的pid，再打印父进程的pid（因此父、子进程的执行时随机的，先后不确定。所以程序让父进程sleep3秒，让子进程先执行）

演示效果2：

• 我们让输出信息重定向到一个文件中
• "before fork"打印两次的原因：
  • 标准输出如果输出到终端设备，则是行缓冲，所以实验一只打印一次
  • 而实验二不是输出到终端设置，则是全缓冲。因为printf还没有打印，子进程创建了，此时缓冲区的数据就会复制一份到子进程中。因此当每个进程终止时，其缓冲区中的内容都被写到文件中

父、子进程文件共享

• fork的一个特性是所有由父进程打开的描述符都被复制到子进程中
• 这种共享文件的方式使父、子进程对同一文件使用了一个文件位移量。因此父、子进程对同一文件描述符操作时会出现混乱

在fork之后处理文件描述符有两种常见的情况：

• 父进程等待子进程完成。在这种情况下，父进程无需对其描述符做任何处理。当子进程终止后，它曾进行过读、写操作的任一共享描述符的文件位移量已做了相应更新
• 父、子进程各自执行不同的程序段。在这种情况下，在fork之后，父、子进程各自关闭它们不需使用的文件描述符，并且不干扰对方使用的文件描述符。这种方法是网络服务进程中经常使用的（例如：父进程接受的已连接套接字传递给子进程进行读写，父进程则关闭这个套接字）

二、vfork()

#include 
#include 
pid_t vfork(void);
//返回值：与fork相同

vfork的起源

• vfork起源于较早的2.9BSD。有些人认为，该函数是有瑕疵的。事实上，BSD的开发者在4.4BSD中删除了该函数，但4.4BSD派生的所有开放源码BSD版本又将其收回。在SUSv3中，vfork被标记为弃用的接口，在SUSv4中被完全删除。可移植的应用程序不应该使用这个函数

• 功能：vfork用于创建一个新进程，而该新进程的目的是exec一个新程序
• vfork()的特点：
  • 不过在子进程调用exec或exit之前，它在父进程的空间中运行。 这种工作方式在某些UNIX的实现中提高了效率
  • 但是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exec或exit就返回都可能会带来未知的后果
• 与fork()的不同：
  • 重点：fork是复制一份父进程的内容然后运行自己的新开辟的地址空间。而vfork是在父进程的地址空间中运行
  • vfork与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)，于 是也就不会存访该地址空间
  • 重点：vfork保证子进程先运行，在它调用exec或exit之后父进 程才可能被调度运行。（如果在调用这两个函数之前子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁）

演示案例

int globvar = 6; 
int main(void)
{
    int var; 
    pid_t pid;
    var = 88;
    printf("before vfork\n"); 
    if ((pid = vfork()) < 0) {
        perror("vfork error");
    } 
    else if (pid == 0) { 
        globvar++;
        var++;
        _exit(0); 
    }

    printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long)getpid(), globvar,var);
    exit(0);
}

运行结果：

• 因为vfork创建的子进程在父进程的地址空间中运行，所以vfrok()改变了值，父进程的也变化了