fork函数详解(附代码)

Posted 2021-10-26 zhushoucheng

虽然篇幅很长，但大多是易懂的代码，不用担心看不完

这里的所有操作，都将在下面的代码中有所体现

fork会拷贝当前进程的内存，并创建一个新的进程。如上图，fork函数会将整个进程的内存镜像拷贝到新的内存地址，包括代码段、数据段、堆栈以及寄存器内容。之后，我们就有了两个拥有完全一样内存的进程。fork系统调用在两个进程中都会返回，在父进程中，fork系统调用会返回子进程的pid。而在新创建的进程中，fork系统调用会返回0。所以即使两个进程的内存是完全一样的，我们还是可以通过fork的返回值区分旧进程和新进程。

某种程度上来说这里的拷贝操作浪费了，因为所有拷贝的内存都被丢弃并被exec替换。在大型程序中这里的影响会比较明显。实际上操作系统会对其进行优化。(比如使用COW(copy on write)技术)

fork创建的新进程从fork语句后开始执行，因为新进程也继承了父进程的PC程序计数器。

在xv6中唯一不是通过fork创建进程的场景就是创建第一个进程的时候，之后的所有进程都是通过fork创建的。

以下内容以xv6(教学用Linux操作系统)源代码为例

代码解析

// Create a new process, copying the parent.
// Sets up child kernel stack to return as if from fork() system call.
int
fork(void)
{
  int i, pid;
  struct proc *np;
  //获取当前进程(进程只运行在用户态)
  //fork函数是系统调用，实际上运行在内核态，用户态的寄存器内容、内存状态都会被保留下来，所以不用担心fork函数的运行影响原进程
  struct proc *p = myproc();

  // Allocate process.
  //allocproc实际上从操作系统进程队列中找到一个未在使用状态的空进程，为其分配trapframe(用来存储寄存器内容)，page table页表，并设置了一些寄存器状态。代码见附
  if((np = allocproc()) == 0){
    return -1;
  }

  // Copy user memory from parent to child.
  //将父进程的页表内容拷贝到子进程页表中
  //uvmcopy user virtual memory copy
  if(uvmcopy(p->pagetable, np->pagetable, p->sz) < 0){
    freeproc(np);
    release(&np->lock);
    return -1;
  }
  np->sz = p->sz;

  // copy saved user registers.
  //将父进程的寄存器内容拷贝到子进程中
  *(np->trapframe) = *(p->trapframe);

  // Cause fork to return 0 in the child.
  //a0为返回值寄存器，fork函数结束会将a0的值返回，因此子进程fork的返回值为0
  np->trapframe->a0 = 0;

  // increment reference counts on open file descriptors.
  //获取父进程打开的文件描述符
  for(i = 0; i < NOFILE; i++)
    if(p->ofile[i])
      np->ofile[i] = filedup(p->ofile[i]);
  np->cwd = idup(p->cwd);

  safestrcpy(np->name, p->name, sizeof(p->name));

  //在这里实现了父进程fork返回子进程pid
  pid = np->pid;
	//下面设置子进程的父进程，将子进程的状态设置为可运行
  //之后，操作系统会在进程调度时，执行子进程
  release(&np->lock);

  acquire(&wait_lock);
  np->parent = p;
  release(&wait_lock);

  acquire(&np->lock);
  np->state = RUNNABLE;
  release(&np->lock);

  return pid;
}

附：

alloproc代码

static struct proc*
allocproc(void)
{
  struct proc *p;

  for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
    acquire(&p->lock);
    if(p->state == UNUSED) {
      goto found;
    } else {
      release(&p->lock);
    }
  }
  return 0;

found:
  p->pid = allocpid();
  p->state = USED;

  // Allocate a trapframe page.
  if((p->trapframe = (struct trapframe *)kalloc()) == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }

  // An empty user page table.
  p->pagetable = proc_pagetable(p);
  if(p->pagetable == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }

  // Set up new context to start executing at forkret,
  // which returns to user space.
  memset(&p->context, 0, sizeof(p->context));
  p->context.ra = (uint64)forkret;
  p->context.sp = p->kstack + PGSIZE;

  return p;
}

Trapframe代码：

struct trapframe {
  /*   0 */ uint64 kernel_satp;   // kernel page table
  /*   8 */ uint64 kernel_sp;     // top of process\'s kernel stack
  /*  16 */ uint64 kernel_trap;   // usertrap()
  /*  24 */ uint64 epc;           // saved user program counter
  /*  32 */ uint64 kernel_hartid; // saved kernel tp
  /*  40 */ uint64 ra;
  /*  48 */ uint64 sp;
  /*  56 */ uint64 gp;
  /*  64 */ uint64 tp;
  /*  72 */ uint64 t0;
  /*  80 */ uint64 t1;
  /*  88 */ uint64 t2;
  /*  96 */ uint64 s0;
  /* 104 */ uint64 s1;
  /* 112 */ uint64 a0;
  /* 120 */ uint64 a1;
  /* 128 */ uint64 a2;
  /* 136 */ uint64 a3;
  /* 144 */ uint64 a4;
  /* 152 */ uint64 a5;
  /* 160 */ uint64 a6;
  /* 168 */ uint64 a7;
  /* 176 */ uint64 s2;
  /* 184 */ uint64 s3;
  /* 192 */ uint64 s4;
  /* 200 */ uint64 s5;
  /* 208 */ uint64 s6;
  /* 216 */ uint64 s7;
  /* 224 */ uint64 s8;
  /* 232 */ uint64 s9;
  /* 240 */ uint64 s10;
  /* 248 */ uint64 s11;
  /* 256 */ uint64 t3;
  /* 264 */ uint64 t4;
  /* 272 */ uint64 t5;
  /* 280 */ uint64 t6;
};

fork（）函数详解

linux中fork（）函数详解（原创！！实例讲解） （转载）

 

 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. /* 
2.  *  fork_test.c 
3.  *  version 1 
4.  *  Created on: 2010-5-29 
5.  *      Author: wangth 
6.  */  
7. #include <unistd.h>  
8. #include <stdio.h>   
9. int main ()   
10. {   
11.     pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值  
12.     int count=0;  
13.     fpid=fork();   
14.     if (fpid < 0)   
15.         printf("error in fork!");   
16.     else if (fpid == 0) {  
17.         printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());   
18.         printf("我是爹的儿子/n");//对某些人来说中文看着更直白。  
19.         count++;  
20.     }  
21.     else {  
22.         printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());   
23.         printf("我是孩子他爹/n");  
24.         count++;  
25.     }  
26.     printf("统计结果是: %d/n",count);  
27.     return 0;  
28. }  

 

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. /* 
2.  *  fork_test.c 
3.  *  version 2 
4.  *  Created on: 2010-5-29 
5.  *      Author: wangth 
6.  */  
7. #include <unistd.h>  
8. #include <stdio.h>  
9. int main(void)  
10. {  
11.    int i=0;  
12.    printf("i son/pa ppid pid  fpid/n");  
13.    //ppid指当前进程的父进程pid  
14.    //pid指当前进程的pid,  
15.    //fpid指fork返回给当前进程的值  
16.    for(i=0;i<2;i++){  
17.        pid_t fpid=fork();  
18.        if(fpid==0)  
19.            printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
20.        else  
21.            printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
22.    }  
23.    return 0;  
24. }  

 

    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. for(i=0;i<2;i++){  
2.     pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=3225  
3.     if(fpid==0)  
4.        printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
5.     else  
6.        printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
7. }  
8. 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. for(i=0;i<2;i++){  
2.     pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=0  
3.     if(fpid==0)  
4.        printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
5.     else  
6.        printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);  
7. }  
8. 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. /* 
2.  *  fork_test.c 
3.  *  version 3 
4.  *  Created on: 2010-5-29 
5.  *      Author: wangth 
6.  */  
7. #include <unistd.h>  
8. #include <stdio.h>  
9. int main(void)  
10. {  
11.    int i=0;  
12.    for(i=0;i<3;i++){  
13.        pid_t fpid=fork();  
14.        if(fpid==0)  
15.            printf("son/n");  
16.        else  
17.            printf("father/n");  
18.    }  
19.    return 0;  
20.   
21. }  

 

     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+……+2^N-1）次，创建的子进程数为1+2+4+……+2^N-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+……+2^N）次，创建的子进程数为1+2+4+……+2^N ”，这是错的)
    网上有人说N次循环产生2*（1+2+4+……+2^N）个进程，这个说法是不对的，希望大家需要注意。

    数学推理见http://202.117.3.13/wordpress/?p=81（该博文的最后）。
    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. /* 
2.  *  fork_test.c 
3.  *  version 4 
4.  *  Created on: 2010-5-29 
5.  *      Author: wangth 
6.  */  
7. #include <unistd.h>  
8. #include <stdio.h>  
9. int main() {  
10.     pid_t fpid;//fpid表示fork函数返回的值  
11.     //printf("fork!");  
12.     printf("fork!/n");  
13.     fpid = fork();  
14.     if (fpid < 0)  
15.         printf("error in fork!");  
16.     else if (fpid == 0)  
17.         printf("I am the child process, my process id is %d/n", getpid());  
18.     else  
19.         printf("I am the parent process, my process id is %d/n", getpid());  
20.     return 0;  
21. }  

 

    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. #include <stdio.h>  
2. #include <unistd.h>  
3. int main(int argc, char* argv[])  
4. {  
5.    fork();  
6.    fork() && fork() || fork();  
7.    fork();  
8.    return 0;  
9. }  

 

    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. #include <stdio.h>  
2. int main(int argc, char* argv[])  
3. {  
4.    fork();  
5.    fork() && fork() || fork();  
6.    fork();  
7.    printf("+/n");  
8. }  

 

    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。

 

原文地址：http://blog.csdn.net/jason314/article/details/5640969