0201 Linux进程fork方式详解

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一、概述

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在Linux系统中提供了多个创建进程的API接口，以不同的方式来创建进程，

比如fork, vfork, exe系列接口，还有clone，使用之前博文《linux 进程创建的五种方法fork/vfork/execv/clone》之中已经介绍，

本文对于常用的fork方式，从进程的内存空间，生命周期，资源管理等方面详细分析，有更深的理解，在设计并发任务时有更加清晰的架构选择。

二、创建进程

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通过fork创建进程，经过fork调用之后，就非常有意思了，程序被分叉为两个进程了，形成了父子两个进程，而fork会在父子进程中返回不同的值。

在父进程中返回子进程的pid，而在子进程中返回值为0。

2.1 测试程序

下面我们写一个测试程序，通过前面介绍的查看进程的方法来看一下进程的情况。

/*
 * ex020101_fork.c
 */
#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#include <errno.h>
#include <string.h>

int main(int argc ,char *argv[])
{
        int pid = -1;

        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
                // in child
                printf("here in child ,my pid is %d\n", getpid());
                sleep(10);
        }
        else if(pid > 0)
        {
                // in parent
                printf("here in parent, my pid %d, child pid is %d\n", getpid(), pid);
                sleep(10);
        }
        else
        {
                // error
                printf("fork error[%s]\n",strerror(errno));
        }

        return 0;
}

2.2 查看进程信息

事先打开两个终端，一个用于运行测试程序，一个用于查看进程信息。

• 在终端一上运行程序。

[senllang@hatch ex_0201]$ gcc ex020101_fork.c -o ex020101
[senllang@hatch ex_0201]$ ./ex020101
here in parent, my pid 56657, child pid is 56658
here in child ,my pid is 56658

程序运行后，可以看到进入了父子进程中，分别打印了信息，之后为睡眠10秒的时间，如果来不及查看，可以调大时间。

• 在终端二上查看

[senllang@hatch ex_0201]$ ps -ef|grep ex0201|grep -v grep
senllang   56657   55956  0 08:28 pts/0    00:00:00 ./ex020101
senllang   56658   56657  0 08:28 pts/0    00:00:00 ./ex020101

通过ps命令可以查看两个进程，第二列是PPID 父进程PID，第三列是当前进程的PID。

第一行是子进程，它的进程号为55956, 第二行为父进程，也就是主程序运行的进程，进程号为 56657, 它的父进程为当前的终端进程。

三、进程内存空间

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内存空间在进程之间是完全独立的，通过fork创建的父子进程也是这样吗？

这里通过一组测试来看一下，在上面的例子中增加变量查看内存空间变化。

3.2 变量空间用例

在上一例子中，增加了全局变量和动态分配内存的变量，观察如下内容：

• 分别在父子进程中查看它们的值和地址；
• 修改变量的值，观察它们在父子进程中的变化；

3.2 验证分析

验证代码如下：

/*
 * ex020102_forkvar.c
 */
#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define MAX_PROMPT_LEN 64

int g_flag = 1;

int main(int argc ,char *argv[])
{
        int pid = -1;
        char *prompt = NULL;

        prompt = (char*)malloc(MAX_PROMPT_LEN);
        if(NULL == prompt)
        {
                printf("memory maybe not enogh.\n");
                return -1;
        }

        strncpy(prompt, "I am a starting process.", MAX_PROMPT_LEN);

        printf("g_flag:%d, addr:%p; prompt:%s , addr:%p\n", g_flag, &g_flag, prompt, prompt);

        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
                // in child
                printf("here in child ,my pid is %d\n", getpid());
                printf("[pid:%d] g_flag:%d, addr:%p; prompt:%s , addr:%p\n", getpid(), g_flag, &g_flag, prompt, prompt);
                g_flag = 2;
                free(prompt);
                prompt = NULL;

                sleep(10);
        }
        else if(pid > 0)
        {
                // in parent
                printf("here in parent, my pid %d, child pid is %d\n", getpid(), pid);
                printf("[pid:%d] g_flag:%d, addr:%p; prompt:%s , addr:%p\n", getpid(), g_flag, &g_flag, prompt, prompt);

                sleep(10);
        }
        else
        {
                // error
                printf("fork error[%s]\n",strerror(errno));
        }

        printf("[pid:%d] g_flag:%d, addr:%p; prompt:%s , addr:%p\n", getpid(), g_flag, &g_flag, prompt, prompt);
        if(NULL != prompt)
                free(prompt);
        return 0;
}

• 运行结果

编译生成可执行文件

[senllang@hatch ex_0201]$ gcc ex020102_forkvar.c -o ex020102

运行测试程序

[senllang@hatch ex_0201]$ ./ex020102
g_flag:1, addr:0x60106c; prompt:I am a starting process. , addr:0x9372a0
here in parent, my pid 57198, child pid is 57199
[pid:57198] g_flag:1, addr:0x60106c; prompt:I am a starting process. , addr:0x9372a0
here in child ,my pid is 57199
[pid:57199] g_flag:1, addr:0x60106c; prompt:I am a starting process. , addr:0x9372a0
[pid:57198] g_flag:1, addr:0x60106c; prompt:I am a starting process. , addr:0x9372a0
[pid:57199] g_flag:2, addr:0x60106c; prompt:(null) , addr:(nil)

分析结果

从运行结果可以看到如下信息：

• 父进程的PID为57198，而子进程的PID为 57199；
• 全局变量 g_flag 的地址为 0x60106c， 而指针变量 prompt的地址为 0x9372a0；
• 子进程中修改变量 g_flag 值为2 ，同时释放 prompt 指向的内存，并赋值为空；

可以看到一个有意思的现象，在子进程中，继承于父进程的变量地址，与父进程中的变量地址一模一样，值也一样；

而修改子进程中的变量值时，父进程并没有改变；

• 子进程在创建时，会完全拷贝父进程的内存内容，所以它们有一模一样的内存部局；当然，这里为了加速创建性能，采用了写时拷贝的策略；
• 我们看到的进程内存地址，其实是虚拟内存地址，它由基地址开始，所以每个进程的基址一样，使得父子进程中内存地址可能相同；
• 虽然虚拟地址相同，实际对应的是不同的物理内存；
• 在32位机器上，进程虚拟地址空间是4GB，而64位上就非常大了；

四、总结

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在多任务并发编程中，使用多进程架构时，在使用fork创建的父子进程时，子进程得到与父进程相同的内存空间内容。

进程的内存空间由虚拟地址描述，在使用时会映射到物理地址。

结尾

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作者邮箱：study@senllang.onaliyun.com
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