Linux中的fork（）函数详解

一、fork入门知识

一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源。fork()函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程，也就是两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。

一个进程调用fork()函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。

我们来看一个例子：

1. [cpp] view plaincopy 
2.  
3.     /*  
4.  
5.      *  fork_test.c  
6.  
7.      *  version 1  
8.  
9.      *  Created on: 2010-5-29  
10.  
11.      *      Author: wangth  
12.  
13.      */   
14.  
15.     #include <unistd.h>   
16.  
17.     #include <stdio.h>    
18.  
19.     int main ()    
20.  
21.     {    
22.  
23.         pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值   
24.  
25.         int count=0;   
26.  
27.         fpid=fork();    
28.  
29.         if (fpid < 0)    
30.  
31.             printf("error in fork!");    
32.  
33.         else if (fpid == 0) {   
34.  
35.             printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());    
36.  
37.             printf("我是爹的儿子/n");//对某些人来说中文看着更直白。   
38.  
39.             count++;   
40.  
41.         }   
42.  
43.         else {   
44.  
45.             printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());    
46.  
47.             printf("我是孩子他爹/n");   
48.  
49.             count++;   
50.  
51.         }   
52.  
53.         printf("统计结果是: %d/n",count);   
54.  
55.         return 0;   
56.  
57.     }    

运行结果是：

i am the child process, my process id is 5574
我是爹的儿子
统计结果是: 1
i am the parent process, my process id is 5573
我是孩子他爹
统计结果是: 1 

在语句fpid=fork()之前，只有一个进程在执行这段代码，但在这条语句之后，就变成两个进程在执行了，这两个进程的几乎完全相同，将要执行的下一条语句都是if(fpid<0)……

为什么两个进程的fpid不同呢，这与fork函数的特性有关。

fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：

1)在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID;

2)在子进程中，fork返回0;

3)如果出现错误，fork返回一个负值;

在fork函数执行完毕后，如果创建新进程成功，则出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程。在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID。我们可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。

引用一位网友的话来解释fpid的值为什么在父子进程中不同。“其实就相当于链表，进程形成了链表，父进程的fpid(p 意味point)指向子进程的进程id，因为子进程没有子进程，所以其fpid为0.

fork出错可能有两种原因：

1)当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时errno的值被设置为EAGAIN。

2)系统内存不足，这时errno的值被设置为ENOMEM。

创建新进程成功后，系统中出现两个基本完全相同的进程，这两个进程执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略。

每个进程都有一个独特(互不相同)的进程标识符(process ID)，可以通过getpid()函数获得，还有一个记录父进程pid的变量，可以通过getppid()函数获得变量的值。

fork执行完毕后，出现两个进程，

有人说两个进程的内容完全一样啊，怎么打印的结果不一样啊，那是因为判断条件的原因，上面列举的只是进程的代码和指令，还有变量啊。

执行完fork后，进程1的变量为count=0，fpid!=0(父进程)。进程2的变量为count=0，fpid=0(子进程)，这两个进程的变量都是独立的，存在不同的地址中，不是共用的，这点要注意。可以说，我们就是通过fpid来识别和操作父子进程的。

还有人可能疑惑为什么不是从#include处开始复制代码的，这是因为fork是把进程当前的情况拷贝一份，执行fork时，进程已经执行完了int count=0;

fork只拷贝下一个要执行的代码到新的进程。

二、fork进阶知识

先看一份代码：

1. [cpp] view plaincopy 
2.  
3.     /*  
4.  
5.      *  fork_test.c  
6.  
7.      *  version 2  
8.  
9.      *  Created on: 2010-5-29  
10.  
11.      *      Author: wangth  
12.  
13.      */   
14.  
15.     #include <unistd.h>   
16.  
17.     #include <stdio.h>   
18.  
19.     int main(void)   
20.  
21.     {   
22.  
23.        int i=0;   
24.  
25.        printf("i son/pa ppid pid  fpid/n");   
26.  
27.        //ppid指当前进程的父进程pid   
28.  
29.        //pid指当前进程的pid,   
30.  
31.        //fpid指fork返回给当前进程的值   
32.  
33.        for(i=0;i<2;i++){   
34.  
35.            pid_t fpid=fork();   
36.  
37.            if(fpid==0)   
38.  
39.                printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);   
40.  
41.            else   
42.  
43.                printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);   
44.  
45.        }   
46.  
47.        return 0;   
48.  
49.     }   

运行结果是：

    i son/pa ppid pid  fpid
    0 parent 2043 3224 3225
    0 child  3224 3225    0
    1 parent 2043 3224 3226
    1 parent 3224 3225 3227
    1 child     1 3227    0
    1 child     1 3226    0 

这份代码比较有意思，我们来认真分析一下：

第一步：在父进程中，指令执行到for循环中，i=0，接着执行fork，fork执行完后，系统中出现两个进程，分别是p3224和p3225(后面我都用pxxxx表示进程id为xxxx的进程)。可以看到父进程p3224的父进程是p2043，子进程p3225的父进程正好是p3224。我们用一个链表来表示这个关系：

p2043->p3224->p3225

第一次fork后，p3224(父进程)的变量为i=0，fpid=3225(fork函数在父进程中返向子进程id)，代码内容为：

1. [c-sharp] view plaincopy 
2.  
3.     for(i=0;i<2;i++){   
4.  
5.         pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=3225   
6.  
7.         if(fpid==0)   
8.  
9.            printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);   
10.  
11.         else   
12.  
13.            printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);   
14.  
15.     }   
16.  
17.     return 0;   

p3225(子进程)的变量为i=0，fpid=0(fork函数在子进程中返回0)，代码内容为：

1. [c-sharp] view plaincopy 
2.  
3.     for(i=0;i<2;i++){   
4.  
5.         pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=0   
6.  
7.         if(fpid==0)   
8.  
9.            printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);   
10.  
11.         else   
12.  
13.            printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);   
14.  
15.     }   
16.  
17.     return 0;    

所以打印出结果：

   0 parent 2043 3224 3225
   0 child  3224 3225    0 

第二步：假设父进程p3224先执行，当进入下一个循环时，i=1，接着执行fork，系统中又新增一个进程p3226，对于此时的父进程，p2043->p3224(当前进程)->p3226(被创建的子进程)。

对于子进程p3225，执行完第一次循环后，i=1，接着执行fork，系统中新增一个进程p3227，对于此进程，p3224->p3225(当前进程)->p3227(被创建的子进程)。

从输出可以看到p3225原来是p3224的子进程，现在变成p3227的父进程。父子是相对的，这个大家应该容易理解。只要当前进程执行了fork，该进程就变成了父进程了，就打印出了parent。

所以打印出结果是：

1 parent 2043 3224 3226
1 parent 3224 3225 3227 

第三步：第二步创建了两个进程p3226，p3227，这两个进程执行完printf函数后就结束了，因为这两个进程无法进入第三次循环，无法fork，该执行return 0;了，其他进程也是如此。

以下是p3226，p3227打印出的结果：

  1 child     1 3227    0
  1 child     1 3226    0 

细心的读者可能注意到p3226，p3227的父进程难道不该是p3224和p3225吗，怎么会是1呢?这里得讲到进程的创建和死亡的过程，在p3224和p3225执行完第二个循环后，main函数就该退出了，也即进程该死亡了，因为它已经做完所有事情了。p3224和p3225死亡后，

p3226，p3227就没有父进程了，这在操作系统是不被允许的，所以p3226，p3227的父进程就被置为p1了，p1是永远不会死亡的，至于为什么，这里先不介绍，留到“三、fork高阶知识”讲。

总结一下，这个程序执行的流程如下：

这个程序最终产生了3个子进程，执行过6次printf()函数。

我们再来看一份代码：

1. [cpp] view plaincopy 
2.  
3.     /*  
4.  
5.      *  fork_test.c  
6.  
7.      *  version 3  
8.  
9.      *  Created on: 2010-5-29  
10.  
11.      *      Author: wangth  
12.  
13.      */   
14.  
15.     #include <unistd.h>   
16.  
17.     #include <stdio.h>   
18.  
19.     int main(void)   
20.  
21.     {   
22.  
23.        int i=0;   
24.  
25.        for(i=0;i<3;i++){   
26.  
27.            pid_t fpid=fork();   
28.  
29.            if(fpid==0)   
30.  
31.                printf("son/n");   
32.  
33.            else   
34.  
35.                printf("father/n");   
36.  
37.        }   
38.  
39.        return 0;   
40.  
41.        
42.  
43.     }    

它的执行结果是：

    father
    son
    father
    father
    father
    father
    son
    son
    father
    son
    son
    son
    father
    son 

这里就不做详细解释了，只做一个大概的分析。

for        i=0         1           2
              father     father     father
                                        son
                            son       father
                                        son
               son       father     father
                                        son
                            son       father
                                        son

其中每一行分别代表一个进程的运行打印结果。

总结一下规律，对于这种N次循环的情况，执行printf函数的次数为2*(1+2+4+……+2N-1)次，创建的子进程数为1+2+4+……+2N-1个。

(感谢gao_jiawei网友指出的错误，原本我的结论是“执行printf函数的次数为2*(1+2+4+……+2N)次，创建的子进程数为1+2+4+……+2N ”，这是错的)

网上有人说N次循环产生2*(1+2+4+……+2N)个进程，这个说法是不对的，希望大家需要注意。

同时，大家如果想测一下一个程序中到底创建了几个子进程，最好的方法就是调用printf函数打印该进程的pid，也即调用printf("%d/n",getpid());或者通过printf("+/n");

来判断产生了几个进程。有人想通过调用printf("+");来统计创建了几个进程，这是不妥当的。具体原因我来分析。

老规矩，大家看一下下面的代码：

1. [cpp] view plaincopy 
2.  
3.     /*  
4.  
5.      *  fork_test.c  
6.  
7.      *  version 4  
8.  
9.      *  Created on: 2010-5-29  
10.  
11.      *      Author: wangth  
12.  
13.      */   
14.  
15.     #include <unistd.h>   
16.  
17.     #include <stdio.h>   
18.  
19.     int main() {   
20.  
21.         pid_t fpid;//fpid表示fork函数返回的值   
22.  
23.         //printf("fork!");   
24.  
25.         printf("fork!/n");   
26.  
27.         fpid = fork();   
28.  
29.         if (fpid < 0)   
30.  
31.             printf("error in fork!");   
32.  
33.         else if (fpid == 0)   
34.  
35.             printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());   
36.  
37.         else   
38.  
39.             printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());   
40.  
41.         return 0;   
42.  
43.     }   

执行结果如下：

fork!
    I am the parent process, my process id is 3361
    I am the child process, my process id is 3362 

如果把语句printf("fork!/n");注释掉，执行printf("fork!");

则新的程序的执行结果是：

fork!I am the parent process, my process id is 3298
fork!I am the child process, my process id is 3299 

程序的唯一的区别就在于一个/n回车符号，为什么结果会相差这么大呢?

这就跟printf的缓冲机制有关了，printf某些内容时，操作系统仅仅是把该内容放到了stdout的缓冲队列里了,并没有实际的写到屏幕上。

但是,只要看到有/n 则会立即刷新stdout,因此就马上能够打印了。

运行了printf("fork!")后,“fork!”仅仅被放到了缓冲里,程序运行到fork时缓冲里面的“fork!” 被子进程复制过去了。因此在子进程度stdout

缓冲里面就也有了fork! 。所以,你最终看到的会是fork! 被printf了2次!!!!

而运行printf("fork! /n")后,“fork!”被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子进程里的stdout缓冲里不会有fork! 内容。因此你看到的结果会是fork! 被printf了1次!!!!

所以说printf("+");不能正确地反应进程的数量。

大家看了这么多可能有点疲倦吧，不过我还得贴最后一份代码来进一步分析fork函数。

1. [cpp] view plaincopy 
2.  
3.     #include <stdio.h>   
4.  
5.     #include <unistd.h>   
6.  
7.     int main(int argc, char* argv[])   
8.  
9.     {   
10.  
11.        fork();   
12.  
13.        fork() && fork() || fork();   
14.  
15.        fork();   
16.  
17.        return 0;   
18.  
19.     }   

问题是不算main这个进程自身，程序到底创建了多少个进程。

为了解答这个问题，我们先做一下弊，先用程序验证一下，到此有多少个进程。

1. [c-sharp] view plaincopy 
2.  
3.     #include <stdio.h>   
4.  
5.     int main(int argc, char* argv[])   
6.  
7.     {   
8.  
9.        fork();   
10.  
11.        fork() && fork() || fork();   
12.  
13.        fork();   
14.  
15.        printf("+/n");   
16.  
17.     }   

答案是总共20个进程，除去main进程，还有19个进程。

我们再来仔细分析一下，为什么是还有19个进程。

第一个fork和最后一个fork肯定是会执行的。

主要在中间3个fork上，可以画一个图进行描述。

这里就需要注意&&和||运算符。

A&&B，如果A=0，就没有必要继续执行&&B了;A非0，就需要继续执行&&B。

A||B，如果A非0，就没有必要继续执行||B了，A=0，就需要继续执行||B。

fork()对于父进程和子进程的返回值是不同的，按照上面的A&&B和A||B的分支进行画图，可以得出5个分支。  

加上前面的fork和最后的fork，总共4*5=20个进程，除去main主进程，就是19个进程了。

三、fork高阶知识

这一块我主要就fork函数讲一下操作系统进程的创建、死亡和调度等。因为时间和精力限制，我先写到这里，下次找个时间我争取把剩下的内容补齐。

本文作者：佚名

来源：51CTO