一、进程创建

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1.1 fork的初步认识和基本使用

在linux中fork函数是非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程pid，创建失败返回-1

详细内容请看另一篇文章：
【Linux进程】进程的基本概念 {PCB结构体，进程表，Linux中的task_struct，查看进程，获取进程PID，使用fork创建子进程}

1.2 fork的具体工作流程

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进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

创建：分配新的内核数据结构和内存块（用于加载代码和数据）给子进程
初始化：将父进程内核数据结构的部分内容拷贝至子进程
组织管理：添加子进程到系统进程列表当中，交由操作系统管理进程。
开始执行：fork返回，开始调度器调度，子进程开始执行。

1.3 写时拷贝

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在进行写入操作之前，父子进程的页表会将他们的地址空间映射到同一段物理内存；
同时将所有页表项暂时设置成只读权限，表示该页表项指向的物理内存被父子共享不能随意修改。
当父子任意一方试图进行写入时，与页表项的只读权限发生冲突，操作系统才会将被写入的页表项指向的物理内存拷贝分离；
并将该页表项的只读权限取消，表示该页表项指向的物理内存被一个进程独占可以直接进行写入。

为什么要进行写时拷贝？

由于进程具有独立性，创建子进程时必须为其分配独有的内核数据结构。
但在子进程创建过程中，并不会为其重新加载一份代码和数据，起初父子进程会共享同一份代码和数据。
由于代码的只读属性，父子共享是没有问题的。但是数据可以被修改，所以必须通过某种方式进行分离。
为什么不在进程创建时直接拷贝分离呢？原因有二：
1. 分配的数据空间可能不会被立刻用到，空间闲置就是对内存资源的浪费。
2. 有些数据可能根本不会被子进程访问，或者在运行过程中只会被读取，对于这样的数据没有拷贝分离的必要。
基于这样的原因，操作系统选择了写时拷贝技术将父子进程的数据进行分离，保证了进程的独立性。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。

父子进程共享的代码是fork之后的还是所有的？

当然是所有代码都会被父子共享。

事实上，我们的代码通过编译就变成了二进制指令。程序加载到内存后，每条指令都会有对应的地址。

由于现代CPU采用并发控制，所有进程在执行过程中都有可能被中断，CPU转而去执行其他进程。当CPU资源再次分配到该进程时，进程当然需要从之前的位置继续执行。进程的执行位置记录在进程上下文中的PC值中，即程序计数器PC（Program Counter）。它是CPU内的寄存器数据，专门用于记录下一条要执行的指令的地址。

实际上所有的代码都会被父子进程共享。但在创建子进程时，父进程的进程上下文也会拷贝给子进程。由于PC值相同，父子进程会从fork之后的同一个位置开始向下执行。所以看起来就像是共享fork之后的代码一样。当然如果你愿意，子进程也可以去执行fork之前的代码。

1.4 fork的常规用法

一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行同一个程序的不同代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。

1.5 fork调用失败的原因

系统资源不足：当系统中可用的资源（如内存、进程表项等）不足以支持新的进程创建时，fork调用会失败。
进程数量限制：操作系统可能对同时运行的进程数量进行限制，当已达到最大进程数量时，fork调用会失败。
系统错误：可能存在其他系统错误导致fork调用失败，例如操作系统内部错误或者硬件故障。

测试代码：父进程不断创建子进程，子进程死循环不退出，直至创建失败！

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>    
    
int main(){    
  int max_proc = 0;    
  while(1)    
  {    
    pid_t id = fork();    
    if(id == -1)    
    {    
      perror("fork error:");    
      printf("max_proc:%d\n", max_proc);    
      return 1;    
    }    
    else if(id == 0)    
    {    
      while(1){    
        sleep(1);    
      }    
    }                                                                                                                            
    else    
    {      
      ++max_proc;    
    }       
  }      
}