C语言的fork函数在Linux中的进程操作及相关面试题讲解
fork的意义
下图为,C 程序的存储空间布局(典型)
1.一个现有进程可以调用 fork 函数创建一个新进程。
2.fork 函数被调用一次,但返回两次, 两次返回的唯一区别是子进程的返回值是 0, 而父进程的返回值是新子进程的 PID。
3.子进程和父进程继续执行 fork 调用之后的指令。
在上图的存储空间布局中,父子进程只共享正文段,其余的都各自有独立的副本 (通常使用 copy-on-write 的策略,速度比较快)。
fork 的两种用法
1.父子进程同时执行不同的代码段
典型应用:Web 服务器。
以下代码是简单的 fork 父子进程分别执行不同的代码:
#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #define err_sys(x) do { perror(x); exit(1); } while (0) void invoke_child(char ch) { printf("%c\n", ch); } int main(int argc, char *argv[]) { pid_t pid; int cnt = 3; char arg[] = "abc"; while(cnt--) { if ((pid = fork()) < 0) { err_sys("Fork error"); } else if (pid == 0) { invoke_child(arg[cnt]); exit(0); } } return 0; }
2.一个进程要执行一个不同的程序
典型应用:Shell。
这里就不举例子了~
关于fork的一道面试题
题目:请问下面的程序一共输出多少个“-”?
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(void) { int i; for(i=0; i<2; i++){ fork(); printf("-"); } return 0; }
如果你对fork()的机制比较熟悉的话,这个题并不难,输出应该是6个“-”,但是,实际上这个程序会很tricky地输出8个“-”。
要讲清这个题,我们首先需要知道fork()系统调用的特性,
1.fork()系统调用是Unix下以自身进程创建子进程的系统调用,一次调用,两次返回,如果返回是0,则是子进程,如果返回值>0,则是父进程(返回值是子进程的pid),这是众为周知的。
2.还有一个很重要的东西是,在fork()的调用处,整个父进程空间会原模原样地复制到子进程中,包括指令,变量值,程序调用栈,环境变量,缓冲区,等等。
所以,上面的那个程序为什么会输入8个“-”,这是因为printf(“-”);语句有buffer,所以,对于上述程序,printf(“-”);把“-”放到了缓存中,并没有真正的输出(参看《C语言的迷题》中的第一题),在fork的时候,缓存被复制到了子进程空间,所以,就多了两个,就成了8个,而不是6个。
另外,多说一下,我们知道,Unix下的设备有“块设备”和“字符设备”的概念,所谓块设备,就是以一块一块的数据存取的设备,字符设备是一次存取一个字符的设备。磁盘、内存都是块设备,字符设备如键盘和串口。块设备一般都有缓存,而字符设备一般都没有缓存。
对于上面的问题,我们如果修改一下上面的printf的那条语句为:
printf("-n");
或是
printf("-"); fflush(stdout);
就没有问题了(就是6个“-”了),因为程序遇到“n”,或是EOF,或是缓中区满,或是文件描述符关闭,或是主动flush,或是程序退出,就会把数据刷出缓冲区。需要注意的是,标准输出是行缓冲,所以遇到“n”的时候会刷出缓冲区,但对于磁盘这个块设备来说,“n”并不会引起缓冲区刷出的动作,那是全缓冲,你可以使用setvbuf来设置缓冲区大小,或是用fflush刷缓存。
我估计有些朋友可能对于fork()还不是很了解,那么我们把上面的程序改成下面这样:
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(void) { int i; for(i=0; i<2; i++){ fork(); //注意:下面的printf有“n” printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d n", getppid(), getpid(), i); } sleep(10); //让进程停留十秒,这样我们可以用pstree查看一下进程树 return 0; }
于是,上面这段程序会输出下面的结果,(注:编译出的可执行的程序名为fork)
ppid=8858, pid=8518, i=0 ppid=8858, pid=8518, i=1 ppid=8518, pid=8519, i=0 ppid=8518, pid=8519, i=1 ppid=8518, pid=8520, i=1 ppid=8519, pid=8521, i=1
$ pstree -p | grep fork
|-bash(8858)-+-fork(8518)-+-fork(8519)---fork(8521)
面对这样的图你可能还是看不懂,没事,我好事做到底,画个图给你看看:
注意:上图中的我用了几个色彩,相同颜色的是同一个进程。于是,我们的pstree的图示就可以成为下面这个样子:(下图中的颜色与上图对应)
这样,对于printf(“-”);这个语句,我们就可以很清楚的知道,哪个子进程复制了父进程标准输出缓中区里的的内容,而导致了多次输出了。(如下图所示,就是我阴影并双边框了那两个子进程)