“fork()”之后的 printf 异常

Posted 2023-02-21

【中文标题】“fork()”之后的 printf 异常

【英文标题】：printf anomaly after "fork()"

【发布时间】：2011-02-01 14:33:09

【问题描述】：

操作系统：Linux，语言：纯 C

我正在学习一般的 C 编程，以及特殊情况下的 UNIX 下的 C 编程。

在使用fork() 调用后，我检测到printf() 函数的奇怪行为（对我而言）。

代码

#include <stdio.h>
#include <system.h>

int main()

    int pid;
    printf( "Hello, my pid is %d", getpid() );

    pid = fork();
    if( pid == 0 )
    
            printf( "\nI was forked! :D" );
            sleep( 3 );
    
    else
    
            waitpid( pid, NULL, 0 );
            printf( "\n%d was forked!", pid );
    
    return 0;

输出

Hello, my pid is 1111
I was forked! :DHello, my pid is 1111
2222 was forked!

为什么子输出中出现第二个“Hello”字符串？

是的，这正是父级启动时打印的内容，父级的pid。

但是！如果我们在每个字符串的末尾放置一个\n 字符，我们会得到预期的输出：

#include <stdio.h>
#include <system.h>

int main()

    int pid;
    printf( "Hello, my pid is %d\n", getpid() ); // SIC!!

    pid = fork();
    if( pid == 0 )
    
            printf( "I was forked! :D" ); // removed the '\n', no matter
            sleep( 3 );
    
    else
    
            waitpid( pid, NULL, 0 );
            printf( "\n%d was forked!", pid );
    
    return 0;

输出：

Hello, my pid is 1111
I was forked! :D
2222 was forked!

为什么会这样？这是正确的行为，还是错误？

【参考方案1】：

原因是格式字符串末尾没有\n，值不会立即打印到屏幕上。相反，它在进程中缓冲。这意味着它实际上是在 fork 操作之后才被打印出来的，因此你会打印两次。

添加\n 会强制刷新缓冲区并输出到屏幕。这发生在分叉之前，因此只打印一次。

您可以使用fflush 方法强制执行此操作。例如

printf( "Hello, my pid is %d", getpid() );
fflush(stdout);

【讨论】：

fflush(stdout); 似乎是这里更正确的答案。

【参考方案2】：

我注意到<system.h> 是一个非标准的标头；我将其替换为<unistd.h>，代码编译干净。

当你的程序输出到终端（屏幕）时，它是行缓冲的。当程序的输出进入管道时，它是完全缓冲的。您可以通过标准 C 函数setvbuf() 和_IOFBF（全缓冲）、_IOLBF（行缓冲）和_IONBF（无缓冲）模式来控制缓冲模式。

您可以在修改后的程序中证明这一点，方法是将程序的输出通过管道传输到例如cat。即使printf() 字符串末尾有换行符，您也会看到双重信息。如果您直接将其发送到终端，那么您只会看到一大堆信息。

故事的寓意是在分叉之前要小心调用fflush(0); 以清空所有 I/O 缓冲区。

---

按要求逐行分析（大括号等被删除 - 前导空格被标记编辑器删除）：

printf( "Hello, my pid is %d", getpid() ); pid = fork(); if( pid == 0 ) printf( "\nI was forked! :D" ); sleep( 3 ); else waitpid( pid, NULL, 0 ); printf( "\n%d was forked!", pid );

分析：

将“你好，我的 pid 是 1234”复制到标准输出缓冲区。因为末尾没有换行符，并且输出在行缓冲模式（或全缓冲模式）下运行，所以终端上不会出现任何内容。 为我们提供了两个独立的进程，在标准输出缓冲区中使用完全相同的材料。 孩子有pid == 0并执行第4行和第5行；父级的 pid 具有非零值（这两个进程之间的少数区别之一 - 来自 getpid() 和 getppid() 的返回值是另外两个）。 将换行符和“I was forked! :D”添加到子级的输出缓冲区。第一行输出出现在终端上；其余部分保存在缓冲区中，因为输出是行缓冲的。 一切停止 3 秒。在此之后，孩子通过main结束时的return正常退出。此时，标准输出缓冲区中的剩余数据被刷新。由于没有换行符，这会将输出位置留在行尾。 父母来了。 父母等待孩子完成死亡。 父级添加了一个换行符并且“1345 被分叉了！”到输出缓冲区。在子级生成的不完整行之后，换行符将“Hello”消息刷新到输出。

parent现在通过main结束时的return正常退出，残留数据被flush；由于末尾仍然没有换行符，所以光标位置在感叹号之后，并且shell提示符出现在同一行。

我看到的是：

Osiris-2 JL: ./xx
Hello, my pid is 37290
I was forked! :DHello, my pid is 37290
37291 was forked!Osiris-2 JL: 
Osiris-2 JL: 

PID 编号不同 - 但整体外观清晰。在printf() 语句的末尾添加换行符（这很快成为标准做法）会大大改变输出：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()

    int pid;
    printf( "Hello, my pid is %d\n", getpid() );

    pid = fork();
    if( pid == 0 )
        printf( "I was forked! :D %d\n", getpid() );
    else
    
        waitpid( pid, NULL, 0 );
        printf( "%d was forked!\n", pid );
    
    return 0;

我现在明白了：

Osiris-2 JL: ./xx
Hello, my pid is 37589
I was forked! :D 37590
37590 was forked!
Osiris-2 JL: ./xx | cat
Hello, my pid is 37594
I was forked! :D 37596
Hello, my pid is 37594
37596 was forked!
Osiris-2 JL:

请注意，当输出到终端时，它是行缓冲的，因此“Hello”行出现在 fork() 之前，并且只有一个副本。当输出通过管道传送到cat 时，它是完全缓冲的，因此在fork() 之前不会出现任何内容，并且两个进程在缓冲区中都有要刷新的“Hello”行。

【讨论】：

好的，我知道了。但是我仍然无法向自己解释为什么“缓冲区垃圾”出现在子输出中新打印行的末尾？但是等等，现在我怀疑它真的是 CHILD 的输出。哦，你能解释一下为什么输出看起来完全一样（旧字符串之前的新字符串），一步一步，所以我将非常感激。还是谢谢你！

非常令人印象深刻的解释！非常感谢，终于明白了！ P.S.：我之前给你投了票，现在又傻傻的点了“向上箭头”，所以投票就消失了。但我不能再给你一次，因为“答案太老了”:( P.P.S.：我在其他问题上给了你一票。再次感谢你！

【参考方案3】：

fork() 有效地创建了进程的副本。如果在调用fork() 之前，它有缓冲的数据，则父级和子级都将拥有相同的缓冲数据。下一次他们每个人都做了一些事情来刷新它的缓冲区（例如在终端输出的情况下打印一个换行符），除了该进程产生的任何新输出之外，您还将看到缓冲的输出。所以如果你要在父子节点都使用stdio，那么你应该在fork之前fflush，以确保没有缓冲数据。

通常，子级仅用于调用exec* 函数。由于它替换了完整的子进程映像（包括任何缓冲区），因此从技术上讲不需要fflush，如果这真的是您要在孩子身上做的所有事情。但是，如果可能存在缓冲数据，那么您应该小心处理执行失败的方式。特别是，避免使用任何 stdio 函数（write 可以）将错误打印到 stdout 或 stderr，然后调用 _exit（或 _Exit）而不是调用 exit 或只是返回（这将刷新任何缓冲输出）。或者通过在分叉前冲洗来完全避免这个问题。