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深入理解fork()  

2012-04-21 15:32:49|  分类: C和C++语言 |  标签: |举报 |字号 订阅

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大家都知道fort()是用于创建一个子进程。但是对它可能并不是很理解。虽然我自认为大学时操作系统学到很不错,但是直到今天才算真正的理解的进程如何创建了一个子进程。
实例1:1.c文件
#include <unistd.h>;
#include <sys/types.h>;
main ()
{
pid_t pid;
int m=5;
pid=-100;
printf("Before fork:m==%d;pid==%d\n",m,pid);
pid=fork();
if (pid < 0)
       printf("error in fork!");
else if (pid == 0)
{
printf("I am the child process, my process id is %d\n",getpid());
printf("m is %d now\n",m);
m=10;
printf("m is changed to %d now\n",m);
}
else
{
  printf("I am the parent process, my process id is %d\n",getpid());
  printf("m is %d now\n",m);
m=100;
printf("m is changed to %d now\n",m);
}
}
编译命令:
gcc 1.c -o 1.exe
生成1.exe的可执行文件.
执行命令:
./1.exe
执行结果
Before fork:m==5;pid==-100
i am the parent process, my process id is 3184
m is 5 now
m is changed to 100 now
I am the child process, my process id is 4368
m is 5 now
m is changed to 10 now
要搞清楚fork的执行过程,就必须先讲清楚操作系统中的“进程(process)”概念。一个进程,主要包含三个元素: 
o. 一个可以执行的程序; 
o. 和该进程相关联的全部数据(包括变量,内存空间,缓冲区等等); 
o. 程序的执行上下文(execution context)。 
  不妨简单理解为,一个进程表示的,就是一个可执行程序的一次执行过程。操作系统对进程的管理,典型的情况,是通过进程表完成的。进程表中的每一个表项,记录的是当前操作系统中一个进程的情况。对于单 CPU的情况而言,每一特定时刻只有一个进程占用 CPU,但是系统中可能同时存在多 个活动的(等待执行或继续执行的)进程。 
  一个称为“程序计数器(program counter, pc)”的寄存器,指出当前占用 CPU的进程要执行的下一条指令的位置。 当分给某个进程的 CPU时间已经用完,操作系统将该进程相关的寄存器的值,保存到该进程在进程表中对应的表项里面;把将要接替这个进程占 用 CPU的那个进程的上下文,从进程表中读出,并更新到相应的寄存器(这个过程称为“上下文交换(process context switch)”,实 际的上下文交换需要涉及到更多的数据,那和fork无关,不再多说,主要要记住程序寄存器pc指出程序当前已经执行到哪里,是进程上下文的重要内容,换 出 CPU的进程要保存这个寄存器的值,换入CPU的进程,也要根据进程表中保存的本进程执行上下文信息,更新这个寄存器)。 

当你的程序执行到下面的语句: 
pid=fork();  
操作系统创建一个新的进程(子进程),并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序;但是上下文(包括PC)和数据是原进程(父进程)的拷贝,新进程开辟了自己的内存空间,它们是两个相互独立的进程!此时程序寄存器pc,在父、子进程的上下文中都声称,这个进程目前执行到fork调用即将返回(此时子进程不占有CPU,子进程的pc不是真正保存在寄存器中,而是作为进程上下文保存在进程表中的对应表项内)。
  父进程继续执行,操作系统对fork的实现,使这个调用在父进程中返回刚刚创建的子进程的pid(一个正整数),所以 实例1的if语句中pid<0, pid==0的两个分支都不会执行。所以输出I am the parent process... 
   子进程在之后的某个时候得到调度,它的上下文被换入,占据 CPU,操作系统对fork的实现,使得子进程中fork调用返回0。所以在这个进程 (注意这不是父进程了哦,虽然是同一个程序,但是这是同一个程序的另外一次执行,在操作系统中这次执行是由另外一个进程表示的,从执行的角度说和父进程相 互独立)中pid=0。这个进程继续执行的过程中,if语句中pid<0不满足,但是pid==0是true。所以输出 I am the child process... 
   我想你比较困惑的就是,为什么看上去程序中互斥的两个分支都被执行了。在一个程序的一次执行中,这当然是不可能的;但是你看到的两行输出是来自两个进程,这两个进程来自同一个程序的两次执行。 
  注意:新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序;但是上下文和数据是在fork时从原进程(父进程)拷贝来的,新进程开辟了自己的内存空间。因此在实例1中,fork的时候,子进程父亲进程处拷贝了变量m,此时变量值为5;fork之后,父进程的对m变量的改变并不影响子进程的m变量。fork之后本质上来说父进程的m变量和子进程的m变量 ,其实是不同的变量,对应不同的内存空间。

 假定父进程malloc的指针指向 0x12345678, fork 后子进程中的指针也是指向 0x12345678,但是两个地址都是虚拟内存地址 (virtual memory),经过内存地址转换后所对应的 物理地址 是不一样的。所以两个进城中的这两个地址相互之间没有任何关系。
(注1:在理解时,你可以认为fork后,这两个相同的虚拟地址指向的是不同的物理地址,这样方便理解父子进程之间的独立性)
(注2:但实际上,linux为了提高 fork 的效率,采用了 copy-on-write 技术,fork后,这两个虚拟地址实际上指向相同的物理地址(内存页),只有任何一个进程试图修改这个虚拟地址里的内容前,两个虚拟地址才会指向不同的物理地址(新的物理地址的内容从原物理地址中复制得到))
另外,pid_t是一个typedef定义类型。用它来表示进程id类型
sys/types.h:
typedef short           pid_t;      
pid_t就是一个short类型变量,实际表示的是内核中的进程表的索引
头文件里也不过是个typedef而已.使用pid_t而不使用int只是为了可移植性好一些.
因为在不同的平台上有可能
typedef int pid_t
也有可能
typedef long pid_t
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