《Linux从练气到飞升》No.17 进程创建

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前言

fork函数

fork函数返回值

写时拷贝

fork常规用法

fork调用失败的原因

fork面试题

后记

前言

之前我们在进程基本概念中讲述过fork可以创建子进程（请在《探秘Linux》专栏中查看），但是我们只是大概讲述了一下它的功能和大致原理，算作是初识，本篇将更为详细的讲述它的用法——创建进程

fork函数

在linux中fork函数时非常重要的函数，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。

在我们想要使用fork函数时，注意一下几点：

#include <unistd.h>//记得包头文件pid_t fork(void);//fork函数的返回值是pid_t，注意转化（）返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

进程调用fork函数以后，内核做了什么？

分配新的内存块和内核数据结构给子进程
将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
添加子进程到系统进程列表当中
fork返回，开始调度器调度

如下图：

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，我们来测试一下~

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main( void )
{pid_t pid;printf("Before: pid is %d\n", getpid());if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);sleep(1);return 0; 
}

运行结果：

这里看到了三行输出，

一行before，两行after。

进程4863先打印before消息，然后它有打印after。

另一个after消息有4864打印的。

注意到进程4864没有打印before，

为什么呢？如下图所示

所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

fork函数返回值

子进程返回0
父进程返回的是子进程的pid

写时拷贝

通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图:

fork常规用法

一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。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

fork调用失败的原因

系统中有太多的进程，进程太多，可能就没有多余的内存来创建进程了，进而导致fork调用失败。
实际用户的进程数超过了限制

fork面试题

请你描述一下folk创建子进程，操作系统都做了什么？

我们推一下，fork创建子进程，也就是说系统里多了一个进程。进程等于内核数据结构加进程代码和数据，而进程代码和数据一般从磁盘中来。也就是你的c或c++程序加载之后的结果。那么我们再倒退回去，folk创建子进程，操作系统就会从磁盘中加载c或c++程序加载之后的结果，然后同时创建内核数据结构，包括地址空间、页表等，进而形成一个新的进程。

fork之后子进程是否能够使用父进程的全部代码？

创建子进程，给子进程分配对应的内核结构。必须子进程自己独有了，这是因为进程具有独立性，理论上子进程要有自己的代码和数据。可是一般而言我们没有加载的过程，也就是说子进程没有自己的代码和数据，所以子进程只能使用父进程的代码数据。但是代码都是不可被写的，只能读取，所以父子共享没有问题，但是数据可能被修改的，所以必须分离。

但是我们还没有说到一个问题：子进程代码共享。是否是所有的？还是只是说fork之后的?

实际上我们的代码汇编之后会有很多行代码，而且每行代码加载到内存之后都有对应的地址，因为进程随时可能被中断，可能并没有执行完就中断了，下次回来还必须从之前的位置继续运行。就要要求 CPU必须随时记录下当前进程执行的位置，所以CPU内有对应的寄存器，数据用来记录当前进程的执行位置。我们之前讲过，寄存器在CPU内只有一份，寄存器的数据是可有多份的，这个寄存器数据也就是进程的上下文。那么这个进程的上下文数据要不要给子进程呢？答案是要的，虽然复制进程各自调的，各自会修改EIP（程序计数器），但是已经不重要了，因为子进程已经认为自己的EIP其实值就是fork之后的代码，它必须共享所有的代码。

操作系统为何要选择写时拷贝技术对父子进程进行分离？

总结起来是两点：

一、用的时候再给你分配，是高效使用内存的一种表现。

二、操作系统无法在代码执行前预知哪些空间会被访问？

展开谈谈：

试想一下，对于数据而言，创建进程的时候，就直接拷贝分离。是不是会浪费内存？可能拷贝子进程根本就不会用到的数据空间，即便是用到了，也可能只是读取，而我们创建子进程，不需要将不会被访问的或者只会读取的数据拷贝一份。

但是，什么数据值得拷贝呢？将来会被父或子进程写入的数据。但是一般而言，即便是操作系统，也无法提前知道哪些空间可能会被泄露，而且就算提前拷贝了，也不一定会立马使用。所以操作系统选择了写时拷贝技术来进行将父子进程的数据进行分离。写时拷贝是一种延迟申请技术，它可以提高整机内存的使用率的同时也完成了进程独立性的技术保证。