从Redis中的BGSAVE命令谈起Fork—之一

引言
本人近日在读黄建宏先生的《Redis设计与实现》中RDB文件的创建与载入一节，了解到SAVE命令和BGSAVE命令的实现。
SAVE：其中SAVE命令是阻塞式的，它会阻塞Redis服务器进程，直到RDB文件创建完毕为止，在服务器进程阻塞期间，服务器不能处理任何命令请求。
BGSAVE：和SAVE命令直接阻塞服务器进程的做法不同，BGSAVE命令会派生出一个子进程，然后由子进程负责创建RDB文件，服务器进程（即父进程）继续处理命令请求。
本文由BGSAVE命令的实现谈起Python/OS模块中的fork函数。为了更加清晰的了解fork函数的工作原理，读者可以跟我一块在linux下查看进程（ps命令），并对这个方法做一些测试，加深理解。（需要注意的是fork这个函数和操纵系统本身结合的非常紧密，windows下无法使用os.fork()函数，必须在POSIX系统（如Liunx/Unix/Mac系统）下进行测试

第一部分
首先，我们来看一下，BGSAVE命令的实现，下面以Python语言给出其实现伪代码：

def BGSAVE():
    #创建子进程
    pid = fork()
    if pid == 0:
        #子进程负责创建RDB文件
        rdbSave()
        #完成之后向父进程发出信号
        signal_parent()
    elif pid > 0:
        #父进程继续处理命令请求，并通过轮询等待子进程信号
        handle_request_and_wait_signal()
    else:
        #处理出错情况
        handle_fork_error()

读者如果不了解fork函数或者说Python中多进程的创建，读到这段代码可能有些不太明白，没关系，请看下面（简单直接）的解释。

python中的os.fork()被调用后就会立即生成一个子进程，是通过copy父进程的地址空间和资源来实现子进程的创建，同时：

• fork函数在子进程中返回的是0；
• 在父进程中返回的是子进程的PID；
• 出现错误，fork返回一个负值；

所以，我们可以通过fork的返回值来判断当前进程是子进程还是父进程。现在再返回去看这个程序是不是就很清楚了，没理解也没关系，下面进行详细的讨论。

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第二部分
首先我们来写一个简单的Python脚本，这个程序运行时，系统会生成一个新的进程，看下面代码：

#!/usr/bin/env python
#coding=utf8
from time import sleep
print "Main thread!"
sleep(3000)

因为代码执行完后，进程就会被销毁，所以这里让程序休眠30秒，方便看到效果。在linux下执行这个代码：

python hello.py &

加上&符号，可以让程序在后台运行，不会占用终端。输入ps -l命令查看进程，在终端输出如下：

其中第二条记录就是刚才运行的python程序。
接着，我们使用fork来创建子进程
使用fork创建一个新进程成功后，新进程会是原进程的子进程，原进程称为父进程。如果发生错误，则会抛出OSError异常。

#!/usr/bin/env python
#coding=utf8

from time import sleep
import os
try:
    pid = os.fork()
except OSError, e:
    pass
sleep(30)

运行代码，查看进程，在终端上输出如下：

由图知，运行代码后产生了两条进程，可以看出第二条python进程就是第一条的子进程。
然后，我们再来看fork进程后的程序流程
使用fork创建子进程后，子进程会复制父进程的数据信息，而后程序就分两个进程继续运行后面的程序，这也是fork（分叉）名字的含义了。在子进程内，这个方法会返回0；在父进程内，这个方法会返回子进程的编号PID。可以使用PID来区分两个进程（这个程序就类似于文章开始时候给出的BGSAVE的实现伪代码）：

#!/usr/bin/env python
#coding=utf8
import os

#创建子进程之前声明的变量
source = 10
try:
    pid = os.fork()
    if pid == 0: #子进程
        print "this is child process."
        #在子进程中source自减1
        source = source - 1
        sleep(3)
    else: #父进程
        print "this is parent process."
    print source
except OSError, e:
    pass

上面代码中，在子进程创建前，声明了一个变量source，然后在子进程中自减1，最后打印出source的值，显然父进程打印出来的值应该为10，子进程打印出来的值应该为9。为了明显区分父进程和子进程，让子进程睡3秒，就看的比较明显了。
既然子进程是父进程创建的，那么父进程退出之后，子进程会怎么样呢？此时，子进程会被PID为1的进程接管，就是init进程了。这样子进程就不会受终端退出影响了，使用这个特性就可以创建在后台执行的程序，俗称守护进程（daemon）。

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第三部分
虽然fork给予多进程编程很大的方面性，但是滥用也是会有很多大问题的，如果程序代码中有fork子进程来操作数据，但是由于fork之后，没有及时的退出，就会导致系统中的Python进程越来越多，子进程越来越多。请看Python下fork进程的测试代码：

def fork(a):
    def now():
        import datetime
        return datetime.datetime.now().strftime("%S.%f")
    import os
    import time
    print now(), a
    if os.fork() == 0:
        print '子进程[%s]:%s' % (now(), os.getpid())
        while 1:
            a-=10
            print '子进程的a值[%s]：%s' % (now(), a)
            if a < 1:
                break
        print '准备退出子进程'
        #os._exit(0) ## 你可以在这里退出子进程
    else:
        print '父进程[%s]:%s' % (now(), os.getpid())
        while 1:
            a-=1
            print '父进程的a值[%s]：%s' % (now(), a)
            if a < 0:
                break
        time.sleep(1)
        print '等待子进程结束...'
        try:
            result = os.wait()
            if result:
                print '子进程:', result[0], result[1]
            else:
                print '没有数据!'
        except:
            print '异常...'
        print '父进程...'
    print '最后的值：',a
    #exit(0)  ## 你也可以在这里退出，注意，这里是父进程和子进程都共用的地方，在这里退出会导致父进程也一并退出

随后的TIPS：
os.fork() 会有两次返回值，分别是父进程和子进程的返回值
在父进程中，fork返回的值是子进程的PID；
子进程中，这个返回值为0
子进程会复制父进程的上下文
父子进程并不能确定执行顺序
os.fork()之后，子进程一定要使用exit()或者os._exit()来退出子进程环境，建议使用os._exit()。