fork与vfock系统调用的区别

原文链接 http://blog.csdn.net/yunsongice/article/details/5516382

fork()与vfock()都是创建一个进程，那他们有什么区别呢？总结有以下三点区别：

1. fork()：子进程拷贝父进程的数据段，代码段
   vfork()：子进程与父进程共享数据段
2. fork()：父子进程的执行次序不确定
   vfork保证子进程先运行，在调用exec或exit之前与父进程数据是共享的，在它调用exec或exit之后父进程才可能被调度运行。
3. vfork 保证子进程先运行，在她调用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。

下面通过几个例子加以说明：

第一：子进程拷贝父进程的代码段的例子：
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    pid=fork();
    if(pid<0)
        printf("error in fork!");
    else if(pid==0)
        printf("I am the child process,ID is %d/n",getpid());
    else
        printf("I am the parent process,ID is %d/n",getpid());
}
运行结果：
[root@localhost chenyunsong]# gcc fork1.c -o fork1
[root@localhost chenyunsong]# ./fork1
I am the child process,ID is 4238
I am the parent process,ID is 4237

为什么两条语句都会打印呢？上一篇博文已经粗略地谈到了，这里再详细说明一下。

首先，./fork1是个可执行文件，当我们在Linux shell环境下运行它时，在执行pid=fork()指令之前，CPU中的寄存器都是跟fork1相关的，并且是处于用户态，例如cs指向用户态代码段基地址；eip指向用户态代码段中下一条指令的偏移位置，即fork()库函数；ds指向用户态数据段基地址；esi/edi指向用户态数据段中当前操作数的全部/部分偏移位置；ss指向用户态数据段中堆栈段的基地址；esp指向用户态栈顶单元的偏移位置；ebp指向用户态堆栈段中当前单元的全部/部分偏移量，也可能存放32位或16位操作数或运算结果。

好了，fork()以后，产生中断，进入内核态，CS和eip这对寄存器包含下一条将要执行的指令（sys_fork(regs)）的逻辑地址。进入内核态后，控制单元必须开始使用与新的特权级相关的指令段和栈。这个过程包括从TSS段中装载ss0和esp0寄存器，在新的内核态堆栈中保存用户态的ss 和esp的值，用引起异常的指令地址装载CS和eip寄存器（sys_fork(regs)），在内核态堆栈中保存eflags、CS及eip的内容。

随后，SAVE_ALL，将所有其他的寄存器（大多数的通用寄存器）保存到内核态堆栈中。这时，cs:eip、ss:esp都是内核态了，但是，注意了，这时候ds段寄存器仍然是__USER_DS，因为上一博文讲过了，这是效率问题。至于如何使用用户态的静态数据，Linux用的是另一种拷贝机制，我们会在相关的专题中专门讨论，也是很重要的，但这里不在话下。

走到fork()系统调用的实务函数do_fork()函数，用于从已存在的进程中创建一个新的进程，新的进程称为子进程，而原进程称为父进程，fork()的返回值有两个：子进程返回0，父进程返回子进程的进程号，进程号都是非零的正整数，所以父进程返回的值一定大于零，在pid=fork()语句之前只有父进程在运行，而在pid=fork()之后，父进程和新创建的子进程都在运行，所以如果pid==0，那么肯定是子进程，为什么？

因为do_fork()结束之后，我们有了处于可运行状态的完整的子进程。但是，它还没有实际运行，要等到调度程序schedule()决定何时把CPU交给这个子进程。以后的博文中会详细阐述Linux的调度机制，这里只需要知道有可能立即就切换即子进程先运行，也有可能要等一段时间切换，即父进程先运行。在调度程序的进程切换中，调度程序继续完善子进程：把子进程描述符thread字段的值（TSS值）装入几个CPU寄存器（详见上一篇博文）。特别是把thread.esp装入esp寄存器，把函数ret_from_fork()的地址装入eip寄存器（这些事儿以后才做，之前eax寄存器的值还是父进程执行do_fork函数后返回的子进程pid的值）。这个汇编语言函数调用 schedule_tail()函数，用存放在栈中的值再装入所有寄存器，使进程返回到用户态。这样，eax寄存器就装过两个值：一个是父进程的值——子进程的PID（这个时候是父进程在运行，因为在切换前eax保留的是子进程pid的值）；一个是子进程的值 0（这个时候是子进程在运行，将eax原先的内容覆盖了）；。

若pid!=0（事实上肯定大于0），那么是父进程在运行。而我们知道fork()函数子进程是拷贝父进程的代码段的，所以子进程中同样有
if(pid<0)
    printf("error in fork!");
else if(pid==0)
    printf("I am the child process,ID is %d/n",getpid());
else
    printf("I am the parent process,ID is %d/n",getpid());
这么一段代码，所以上面这段代码会被父进程和子进程各执行一次，最终由于子进程的pid==0，而打印出第一句话，父进程的pid>0，而打印出第二句话。于是得到了上面的运行结果。

注意，并不是子进程执行一段，父进程执行一段，而是都执行，所以其只是根据pid（C编译器会定位到eax寄存器）的值来判断具体执行哪一段。

再来看一个拷贝数据段的例子：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
    pid_t pid;
    int count=0;
    pid=fork();
    count++;
    printf("count= %d/n",count);
    return 0;
}

大家觉着打印出的值应该是多少呢？是不是2 呢？先来看下运行结果吧
[root@localhost chenyunsong]# gcc fork2.c -o fork2
[root@localhost chenyunsong]# ./fork2
count= 1
count= 1

为什么不是2 呢？因为我们一次强调fork()函数子进程拷贝父进程的数据段代码段，所以
count++;
printf("count= %d/n",count);
return 0
将被父子进程各执行一次，但是子进程执行时使自己的数据段里面的（这个数据段是从父进程那copy 过来的一模一样）count+1，同样父进程执行时使自己的数据段里面的count+1，他们互不影响，与是便出现了如上的结果。

那么再来看看vfork()吧。如果将上面程序中的fork()改成vfork()，运行结果是什么样子的呢？
[root@localhost chenyunsong]# gcc fork2.c -o fork2
[root@localhost chenyunsong]# ./fork2
count= 1
count= 1

还是错误。本来vfock()是共享数据段的，结果应该是2，为什么不是预想的2呢？先看一个知识点：vfork和fork 之间的另一个区别是： vfork保证子进程先运行，在她调用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。

这样上面程序中的fork()改成vfork()后，vfork()创建子进程并没有调用exec 或exit，所以最终将导致死锁。

怎么改呢？看下面程序：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main(void)
{
    pid_t pid;
    int count=0;
    pid=vfork();
    if(pid==0)
    {
        count++;
        _exit(0);
    }else{
        count++;
    }
    printf("count= %d/n",count);
    return 0;
}

如果没有_exit(0)的话，子进程没有调用exec或exit，所以父进程是不可能执行的，在子进程调用exec或exit之后父进程才可能被调度运行。

所以我们加上_exit(0);使得子进程退出，父进程执行，这样else后的语句就会被父进程执行，又因在子进程调用exec或exit之前与父进程数据是共享的,所以子进程退出后把父进程的数据段count改成1 了，子进程退出后，父进程又执行，最终就将count 变成了2，看下实际运行结果：
[root@localhost chenyunsong]# gcc fork2.c -o fork2
[root@localhost chenyunsong]# ./fork2
count= 2

网上抄的一段，可以再加深一下理解：

为什么会有vfork，因为以前的fork很傻，当它创建一个子进程时，将会创建一个新的地址空间，并且拷贝父进程的资源，而往往在子进程中会执行exec 调用，这样，前面的拷贝工作就是白费力气了，在还没有人想到写时拷贝（write-on-copy）机制情况下，聪明的人就想出了vfork，它产生的子进程刚开始暂时与父进程共享地址空间（其实就是线程的概念了），因为这时候子进程在父进程的地址空间中运行，所以子进程不能进行写操作，并且在儿子“ 霸占”着老子的房子时候，要委屈老子一下了，让他在外面歇着（阻塞），一旦儿子执行了exec或者exit后，相当于儿子买了自己的房子了，这时候就相当于分家了。