【linux进程(二)】如何创建子进程?--fork函数深度剖析

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1. 前言

我们已经会使用getpid/getppid
函数来查看pid和ppid了,本篇文章
会介绍第二种查看进程的方式

本章重点:

本篇文章着重介绍创建子进程
的函数:fork的概念以及返回值
本篇文章主要解决以下问题:

• fork函数干了什么事?
• 为什么fork有两个返回值?
• 为啥fork的返回给父子进程的内容不同?
• fork之后,父子进程谁先运行?
• 如何理解同一个变量有不同的值?

这些问题的答案会在文章中给出

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2. 查看进程的第二种方式

在Linux系统中,有一个动态文件proc
它里面存放着所有进程的信息,之所以
叫动态文件是因为它会随着进程的改变
而随时更新它的内容!

查看所有进程文件:

使用指令: ls /proc/

查看特点的进程文件:

使用指令: ls /proc/pid

比如我现在写一个死循环代码
然后通过此文件来查看我这个进程:

查看动态文件

可以发现,在自行创建的进程中
有很多我们看不懂的文件,这些文件
也不需要掌握,但是有两个文件需要
大家注意,一个是cwd一个是exe

exe指向可执行程序的位置
cwd代表默认的当前文件

我们经常听见一句话:在当前文件
创建一个文件,在当前文件怎么怎么样
这个当前文件就是cwd指向的文件
并且Linux外壳的bash中,pwd指令
其实就是从cwd中找到当前路径的!

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3. 如何创建一个子进程?

众所周知啊,Linux系统是用C语言写的
所以Linux中创建一个进程实际上也要
调用C语言的函数,也就是用代码创建
进程,用户使用代码创建进程叫系统调用

使用函数: fork

使用man指令查看fork函数信息:

写一段代码创建子进程观察情况:

#include  
#include  
#include  
int main()  
{
   	printf("我是一个进程,我的pid:%d\n",getpid());
  
    fork();
  
    printf("i am a process,pid:%d\n",getpid());
    sleep(1);
    return 0;
}

请看下面的图片观察情况:

接下来再打一个死循环观察情况:

#include    
#include    
#include    
int main()    
{    
    printf("我是一个进程,pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());                                                                                                         
    while(1)    
    {              
        fork();                                                          
        printf("i am a process,pid:%d ppid:%d\n",getpid(),getppid());    
        sleep(1);    
    }       
    return 0;
}    

请看以下图片观察情况:

它会循环打印pid和ppid,可以发现
蓝色框里面的ppid明显是命令行解释器
bash的pid,这个进程的pid是31063
创建的子进程的pid是31064,并且子进程
的ppid也就是父亲id是31063,这就已经
说明了一个情况:fork之后,已经创建了子进程
并且此进程的父进程是我们自己写的程序!

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4. fork函数详解(一)

通过上面的代码和图文,可以发现
fork之前的代码只有父进程执行
然而fork之后的代码父子进程都要执行

fork函数不仅会帮我们创建子进程
它还有两个返回值,父进程会接受到
子进程的pid,子进程会接收到值:0
那么你可能有疑问?既然fork之后
父子进程会执行一样的代码,那么子进程
的意义是什么?其实fork是这样用的:

int forkid = fork();
if(forkod==0)
{
	执行子进程的专有代码
}
else
{
	执行父进程的专有代码
}

实际上我们创建子进程的意义就是
为了让子进程执行和父进程不一样
的代码,实现和父进程不一样的功能
比如我们可以一边下载软件一边播放
音乐,这两个过程就是不同的进程在执行!

改修代码后查看fork的返回值:

#include                                                                                                                                                       
#include    
#include    
int main()    
{    
    printf("我是一个父进程,我的pid是: %d\n",getpid());    
    
    pid_t id = fork();    
    
    if(id==0)//子进程的代码片段    
    {    
        while(1)    
        {    
            printf("我是子进程: pid:%d ppid: %d ret:%d,我在进行下载任务\n",getpid(),getppid(),id);    
            sleep(1);    
        }    
    }    
    else if(id>0)//父进程的代码片段    
    {    
    
        while(1)    
        {    
            printf("我是父进程: pid:%d ppid: %d ret:%d,我在进行播放任务\n",getpid(),getppid(),id);    
        sleep(1);    
        }    
    } 
	return 0;
}

请看下图观察情况:

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5. fork函数详解(二)

观察上面的情况,fork函数到底做了什么?
现在我来回答这个问题:

fork会创建子进程,系统中会多出
一个子进程,操作系统以父进程为
模板为子进程创建PCB,但是子进程
中是没有代码和数据的,当前状态
子进程和父进程共享代码和数据
所以fork之后,父子进程会执行一样的代码

父子进程的关系可以用下图来理解:

理解了这一点后,第三点也很好理解
首先,一个父进程可以创建很多个子
进程,然而一个子进程只对应一个父
进程,所以fork函数会返回子进程的id
给父进程,方便父进程管理它的子进程

现在就已经解决了开头的第1.3问题了

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6. fork函数详解(三)

现在我想来解答第二个问题,众所周知啊
C/C++函数只能有一个返回值,然而这里
的fork函数既然也是C函数,为什么会有两个
返回值呢?请看以下的解释:

首先,fork之后,父子进程都会执行
代码的本质是它们都被内存调度了
而当一个函数执行到return时,它的
核心工作才算执行完成,于是我们可以
想象一下fork函数内部的一些代码信息:

可以发现,在fork函数return之前,
就已经创建了子进程,并且将子进程
放入调度队列中运行了,所以当子进程
在调度队列时,它和父进程就已经分流了
而不是真正在fork函数return之后才分流的

并且创建完子进程后代码是共享的
很明显return也是一句代码,所以父子进程
都会执行return语句,fork函数有两个返回值

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7. fork函数详解(四)

现在,我来回答第四个问题
fork之后,父子进程谁先运行?

在讲解第二问时我们知道,创建完成
子进程后,这只是一个开始,系统的其他
进程,父进程,子进程接下来会被调度执行!

问题是先调度谁?先创建就先调度吗?

答案明显不是!在调度队列中,CPU
会选择一个进程去运行它,谁先被调度
谁就先运行!所以fork之后父子进程谁
先运行用户是不确定的,这是由各自
进程PCB中的调度信息决定的,比如
优先级,算法信息等等

下面有一篇拓展阅读,有兴趣可以看看:

fork函数拓展阅读

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8. fork函数详解(五)

最后来回答第五个问题
前面一个函数有两个返回值你可能
能够理解,因为两个进程都被调度了
但是同一个变量怎么可能有两个不同
的值呢?变量id在父进程和子进程中值不同

首先我们要清楚一点:

干掉父进程不会影响子进程运行,反之也是

请看下面的视频验证:

kill父进程不会影响子进程

通过以上实验看出,进程是有独立性的
首先是表现在进程各自的PCB运行时
不会相互影响,很明显,代码本身只是可读
的,所以不会影响代码,但是对于数据来说
父子的数据是可能不同的(可能会被修改)

所以系统是怎样做到让数据在各个
进程都自己私有一份的?答案是写时拷贝
类似于学习类和对象时的深浅拷贝
数据会在需要使用时被写时拷贝到PCB
然而fork返回值赋值给变量时,本质也是
写入,返回时也会发生写时拷贝,所以不同
的进程执行的代码中的变量id获取的值不同!

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9. 总结以及拓展

fork函数的细节还有很多,但是以目前
的学习进度来说,要完全理解它很困难
所以文章采用了较为简单的方式帮助理解
只要理解了fork函数的五个问题的答案
那么在目前阶段就已经干的很好了!

拓展阅读:

Linux下的PCB源码解析

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下期预告:Linux进程状态信息