【Linux】进程控制-进程创建

目录

一、fork()是什么？

二、fork返回值问题

1、fork()的两个返回值是什么？

2、fork()为什么有两个返回值？

3、一个变量为什么会保存两个不同的值？

三、写时拷贝

1、写时拷贝是什么

2、为什么要写时拷贝

3、写时拷贝的示意图

四、fork()创建子进程时系统做了什么？

五、fork()常规用法

六、fork()函数相关补充

七、fork失败的原因？

1、系统中有太多进程

2、实际用户的进程数超过了限制

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一、fork()是什么？

fork()是操作系统提供的一个函数，它可以从代码层面（已经存在的进程）上创建一个新的进程。

新的进程为子进程，原进程为父进程。

二、fork返回值问题

1、fork()的两个返回值是什么？

给子进程返回0，给父进程返回子进程的pid

1 #include
  2 #include
  3 
  4 int main()
  5 {
  6     pid_t id=fork();
  7     if(id<0)
  8     {
  9         printf("子进程创建失败\n");
 10         return 1;
 11     }
 12     else if( id==0 )
 13     {                                                                                                                
 14         //子进程
 15         while(1)
 16         {
 17             printf("我是子进程:pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
 18             sleep(1);
 19         }
 20     }
 21     else
 22     {
 23         //父进程
 24         while(1)
 25         {
 26             printf("我是父进程:pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
 27             sleep(1);
 28         }
 29     }
 30 }   

2、fork()为什么有两个返回值？

因为fork()函数内部，return会被执行两次，return的本质就是对id进行写入

3、一个变量为什么会保存两个不同的值？

父子进程各自都有地址空间，页表，用的虚拟地址一样，物理内存是被映射到不同区域的，当任何一方尝试修改数据时，发生了写时拷贝，如果子进程修改数据时，同一个变量经过虚拟地址空间映射，页表写时拷贝，会重新给子进程开辟空间，所以父子进程各自其实在物理内存中，有属于自己的变量空间，只不过在用户层用同一个变量（虚拟地址）来标识。

三、写时拷贝

1、写时拷贝是什么

写时拷贝时多进程创建时，保证父子进程独立性，尤其是数据层面上保证独立性的非常关键的策略，采用写时拷贝技术实现独立性，通过写时拷贝让父子进程数据不在相互干扰，也是一种延迟写入的过程，宏观上提高了整个内存的使用率。

2、为什么要写时拷贝

因为有写时拷贝技术的存在，所以父子进程得以彻底分开，完成了进程独立性的技术保证，

写时拷贝是一种延时申请技术，可以提高整机内存的使用率

对于数据而言

创建进程的时候，直接拷贝分离，可能拷贝到子进程根本就不会用到的数据空间，即便用到了，也可能只是读取，会造成空间浪费，因此创建子进程时，不需要将不会被访问的，或者只会读取的数据拷贝一份。

什么样的数据值得拷贝？

将来被父或者子进程写入的数据，但是即使是OS，无法知道哪些空间会被写入，即便提前拷贝了，可能并不会立即使用

所以OS选择了写时拷贝技术，来进行将父子进程的数据进行分离

因此回答了OS为何要选择写时拷贝技术，对父子进程进行分离

1、用的时候，在分配空间，是高效使用内存的一种表现

2、OS无法在代码执行前预知哪些空间会被访问

3、写时拷贝保证了进程的独立性

3、写时拷贝的示意图

fork()之后，子进程构建出来后数据结构以父进程为模板，把父进程相关字段拷贝起来，默认情况下指向的内容是完全一样的，对页表的读写权限为只读权限，如果子进程尝试修改物理内存中的内容，把内存中曾经被大家所共享的内存区域拷贝一份给子进程，修改页表当中的页表项，让子进程的页表指向新空间的地址，数据层面上两个进程实现了分离。任何一个进程尝试修改，都会发生写时拷贝，只读权限去掉了，两个进程已经分开，实现进程独立性。

四、fork()创建子进程时系统做了什么？

fork()创建子进程，本质是系统里多了一个进程，该进程有对应的PCB，对应的地址空间，对应的页表，并将自己进程对应的代码和数据加载到内存，构建映射关系，将该进程PCB放入到运行队列里，等待OS或调度器调度，一旦CPU调度该进程，此时可以通过虚拟地址空间和页表找到该进程的相关代码，然后从上往下执行顺序语句，循环判断，函数跳转，进而在进程内部执行进程内的代码，完成某件事情。

因此fork()执行后，OS会分配新的内存块和内核数据结构给子进程（创建对象），将父进程部分数据结构内容拷贝给子进程（赋值和初始化，子进程的相关数据是以父进程为模板的，包括优先级信息，状态信息），添加子进程到系统进程列表当中（如果无法直接运行，就列入到等待队列，阻塞或者挂起）fork返回，开始调度器调度（fork函数最后return时，子进程已经创建）

五、fork()常规用法

1、一个父进程希望复制自己，使父子进程同时指向不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求

2、一个进程要执行一个不同程序

六、fork()函数相关补充

1、创建子进程时，会给子进程分配对于的内核数据结构，这些都是子进程私有的，因为进程具有独立性！理论上，子进程也要有自己的代码和数据，可是一般而言，我们没有加载的过程，也就是说，子进程没有自己的代码和数据。我们知道代码时不可以被写入的，只能读取，数据可能会被修改，必须分离，因此创建子进程时，父子进程代码共享，数据以写时拷贝的方式各自持有一份

2、fork之后，父子进程代码共享是after之后还是所有代码共享？

1、我们的代码汇编后，会有很多行代码，每行代码加载到内存之后，都有对应的地址

2、因为进程随时可能被中断（还没执行完）下次回来还必须从之前的位置继续运行，就要求CPU必须记录下来当前进程执行的位置，所有CPU内有对应的寄存器数据，用来记录当前进程的执行位置！

3、寄存器在CPU内只有一份，寄存器内的数据可以有多份的，即进程的上下文数据，既然是数据创建的时候，要给子进程，虽然父子今进程各自调度，各自会修改EIP，但是已经不重要了，子进程已经认为EIP的起始值，就是fork之后的代码，子进程从after之后开始执行，并不代表之前的代码看不到。

七、fork失败的原因？

1、系统中有太多进程

OS系统创建一个进程要做什么？

要创建进程对应的内核数据结构task_struct，还要为该进程创建对应的地址空间mm_struct，还要为该进程创建页表，构建映射关系，并且还要将该进程对应的代码和数据加载到内存。

因此，进程创建本质要消耗内存资源，进程太多，导致系统内存资源不足，不让创建进程。

2、实际用户的进程数超过了限制

  1 //fork失败原因                                                                                                       
  2 //系统内存不足
  3 //系统给该用户创建的进程数是有上限的
  4 
  5 //测试系统创建多少个进程数会失败
  6 #include
  7 #include
  8 #include
  9 
 10 int main()
 11 {
 12   int max_cnt=0;
 13   pid_t id=fork();
 14   while(1)
 15   {
 16 
 17     if(id<0)
 18     {
 19  //这个代码是父进程在执行 因为fork创建失败没有子进程执行
 20     printf("fork error:man_cnt=%d\n",max_cnt);
 21     break;
 22     }
 23     else if(id==0)
 24     {
 25       //child
 26       while(1)
 27       {
 28           sleep(1);
 29       }
 30     }
 31     else
 32     {
 33       //father 
 34       printf("max_cnt:%d\n",max_cnt);
 35     }
 36     max_cnt++;
 37   }
 38 }
 39 
 40 //max_cnt是父子共享的
 41 //但是写时拷贝对父进程是不影响的
 42 //写时拷贝改的一直是父进程的
 43 
 44 //子进程一直不退出 fork失败后父进程退出
 45 //子进程变成孤儿进程