前言

在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程是操作系統(tǒng)最重要的執(zhí)行單元，而父子進(jìn)程的創(chuàng)建與管理更是系統(tǒng)資源分配和任務(wù)并行的關(guān)鍵。通過fork函數(shù)，Linux能夠快速高效地復(fù)制一個(gè)進(jìn)程，使得父子進(jìn)程協(xié)同工作成為可能。理解父子進(jìn)程的運(yùn)行機(jī)制不僅有助于掌握系統(tǒng)編程的核心技能，更能為優(yōu)化資源利用與提高程序性能提供理論基礎(chǔ)。本文將帶你從基礎(chǔ)原理出發(fā)，解析Linux父子進(jìn)程的運(yùn)行特性、fork的核心機(jī)制及其在實(shí)際開發(fā)中的應(yīng)用。

一、進(jìn)程PID

PID 是用來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程的屬性，我們可以使用 ps 指令查看一個(gè)進(jìn)程的部分屬性。進(jìn)程的屬性信息是由操作系統(tǒng)來維護(hù)的，這些信息被存儲(chǔ)在一個(gè) task_struct 結(jié)構(gòu)體中，屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核中的數(shù)據(jù)。由于操作系統(tǒng)本身是不相信用戶的，所以用戶無法直接去訪問 task_struct 對(duì)象中的成員，因此 ps 指令能夠顯示進(jìn)程的屬性信息，本質(zhì)上是通過系統(tǒng)調(diào)用接口去實(shí)現(xiàn)的。

1.1 通過系統(tǒng)調(diào)用接口查看進(jìn)程PID

獲取進(jìn)程的 PID 需要用到系統(tǒng)調(diào)用接口 getpid() ，該函數(shù)會(huì)返回調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程的 PID，返回值類型為 pid_t 。如下圖我們使用 man getpid 指令去查看 getpid 的基礎(chǔ)文檔：

注意上圖中還有一個(gè) getppid 是什么呢？不難猜到，這應(yīng)該是用來獲取父進(jìn)程 PID 的系統(tǒng)調(diào)用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。

注意上圖中還有一個(gè) getppid 是什么呢？不難猜到，這應(yīng)該是用來獲取父進(jìn)程 PID 的系統(tǒng)調(diào)用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>    
#include <sys/types.h>    

int main()    
{    
    while(1)    
    {    
        printf("I am a process, my id is: %d, parent id is: %d\n", getpid(), getppid());                                  
        sleep(1);    
    }    
    return 0;    
}

我們可以寫一個(gè)腳本來實(shí)時(shí)獲取上面這段代碼執(zhí)行起來后的進(jìn)程信息。

可以看到，我一個(gè)將這段代碼執(zhí)行了兩次，每一次的子進(jìn)程 PID 都在發(fā)生變化，但是父進(jìn)程的 PID 從未更改。

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們?cè)偈褂?ps 指令對(duì)比以下獲取到的進(jìn)程 PID 是否真的一樣。

while :; do ps axj | head -1 ; ps axj |grep process | grep -v grep ;  sleep 1 ; done

結(jié)論：我們用 getpid 和 getppid 得到的父子進(jìn)程的 PID 和 ps 指令獲取到的進(jìn)程 PID 是一樣的

二、通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程-fork初識(shí)

之前我們自己創(chuàng)建進(jìn)程都是通過寫一份源代碼，然后去編譯運(yùn)行，最終得到一個(gè)進(jìn)程，今天給大家介紹另一種通過系統(tǒng)調(diào)用接口 fork 去創(chuàng)建進(jìn)程的方式。一樣的，我們使用 man fork 去查看一下 fork 的相關(guān)文檔：

大致意思就是：fork 函數(shù)會(huì)以調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程作為父進(jìn)程去創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程.

創(chuàng)建成功時(shí)，會(huì)在父進(jìn)程中返回子進(jìn)程的 PID ，在子進(jìn)程中返回 0 。否則就在父進(jìn)程中返回 -1 ，子進(jìn)程創(chuàng)建失敗。

2.1 調(diào)用fork函數(shù)后的現(xiàn)象

#include <stdio.h>      
#include <unistd.h>      
#include <sys/types.h> 
int main()                                                           
{    
    printf("before:only one line\n");    
    fork();    
    printf("after:only one line\n");    
    
    return 0;    
}

如上圖所示，fork 后面的代碼執(zhí)行了兩次！這是什么原因呢？我們?cè)賹懸欢未a跑跑。

#include <stdio.h>      
#include <unistd.h>      
#include <sys/types.h> 

int main()    
{    
    printf("begin:我是一個(gè)進(jìn)程，pid：%d, ppid：%d\n",getpid(), getppid());    
    
    pid_t id = fork();    
    if(id > 0)    
    {    
        while(1)    
        {    
            printf("我是父進(jìn)程,pid：%d,ppid：%d\n",getpid(),getppid());    
            sleep(1);    
        }    
    }    
    else if(id == 0)    
    {    
        while(1)    
        {    
            printf("我是子進(jìn)程,pid：%d,ppid：%d\n",getpid(),getppid());    
            sleep(1);    
        }    
    }    
    else    
    {    
        perror("子進(jìn)程創(chuàng)建失??！\n");    
    } 
    
    return 0;    
}

通過結(jié)果我們可以得出，在上面的一份代碼中 id 大于0和 id 等于0同時(shí)存在， if 和 else if 同時(shí)滿足，并且有兩個(gè)死循環(huán)在同時(shí)跑。這個(gè)現(xiàn)象說明此時(shí)一定存在兩個(gè)進(jìn)程，即原來的 myprocess 進(jìn)程和在 myprocess 進(jìn)程中創(chuàng)建的子進(jìn)程，因?yàn)樵谝粋€(gè)進(jìn)程中 if 和 else if 是不可能同時(shí)滿足的。這也符合 fork 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程的目的，fork 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程后，會(huì)從原來的一個(gè)執(zhí)行流變成兩個(gè)執(zhí)行流。

2.2 為什么fork要給子進(jìn)程返回0，給父進(jìn)程返回子進(jìn)程 pid？

1. fork 返回值的設(shè)計(jì)目的

fork 是 UNIX 系統(tǒng)中用于創(chuàng)建新進(jìn)程的核心系統(tǒng)調(diào)用。調(diào)用一次 fork，系統(tǒng)會(huì)“分 裂”出兩個(gè)進(jìn)程：父進(jìn)程和子進(jìn)程。它的返回值有以下特點(diǎn)：

• 在父進(jìn)程中：fork 返回新創(chuàng)建的子進(jìn)程的 PID，使得父進(jìn)程可以通過該 PID 來管理和操作子進(jìn)程（如使用 wait 或 kill 等操作）。
• 在子進(jìn)程中：fork 返回 0，標(biāo)識(shí)自己是子進(jìn)程，無需再通過 PID 區(qū)分。

這種設(shè)計(jì)的核心目的正如您提到的，用于區(qū)分不同執(zhí)行流，即便父子共享同一套代碼，也可以根據(jù)返回值選擇性地執(zhí)行不同代碼。

2. 現(xiàn)實(shí)類比的深入解讀

• 父親喊“兒子”：如果不區(qū)分，所有子進(jìn)程都會(huì)響應(yīng)，導(dǎo)致混亂。通過分配唯一的 PID，每個(gè)子進(jìn)程可以被單獨(dú)識(shí)別。
• 子進(jìn)程喊“爸爸”：由于每個(gè)子進(jìn)程只能有一個(gè)父進(jìn)程，所以子進(jìn)程通過調(diào)用 getppid() 即可找到其唯一的父進(jìn)程。

3. 為什么子進(jìn)程返回值為 0

• 簡單區(qū)分：子進(jìn)程無需知道自己的 PID 來執(zhí)行自己的任務(wù)，而只需通過返回值 0 知道自己是子進(jìn)程。效率和邏輯一致性：如果子進(jìn)程也返回自己的 PID，會(huì)引入額外的復(fù)雜性，而且父進(jìn)程需要一個(gè)單獨(dú)機(jī)制區(qū)分這些值。

2.3 一個(gè)函數(shù)是如何做到返回兩次的？如何理解？

在調(diào)用 fork 函數(shù)之前就只有一個(gè)進(jìn)程，我們先來回顧一下什么是進(jìn)程？進(jìn)程 = 內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) + 代碼和數(shù)據(jù)，其中的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是進(jìn)程對(duì)應(yīng)的 PCB 對(duì)象。

進(jìn)程的 PCB 對(duì)象會(huì)找到相應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)，然后 CPU 就要去調(diào)度這個(gè)進(jìn)程，也就是找到該進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)去執(zhí)行。調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，本質(zhì)上是操作系統(tǒng)多了一個(gè)進(jìn)程，因此 fork 函數(shù)創(chuàng)建出來的子進(jìn)程，它要先創(chuàng)建自己的 PCB 對(duì)象，子進(jìn)程的 PCB 對(duì)象大部分都是以父進(jìn)程的 PCB 對(duì)象為模板創(chuàng)建的，即從父進(jìn)程的 PCB 對(duì)象中拷貝過來，再對(duì)部分屬性稍作修改，子進(jìn)程的 PCB 對(duì)象就有了。但是它沒有自己的代碼和數(shù)據(jù)，所以只能用父進(jìn)程的，所以 fork 函數(shù)之后，父子進(jìn)程的代碼共享，這就解釋了為什么上面 fork 函數(shù)之后的代碼輸出了兩次，其實(shí)就是父子進(jìn)程各自執(zhí)行了一次。

創(chuàng)建子進(jìn)程的目的就是為了幫助父進(jìn)程做不同的事情，但是父子進(jìn)程共享一份代碼，所以我們應(yīng)該在代碼中對(duì)它們加以區(qū)分。fork 函數(shù)就幫我們完成了這個(gè)需求，它會(huì)在父子進(jìn)程中返回不同的值，用戶只需要根據(jù)返回值的不同讓父子進(jìn)程執(zhí)行不同的代碼。
fork 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程：

pid_t fork():

• 創(chuàng)建子進(jìn)程

• 創(chuàng)建子進(jìn)程的PCB
• 填充PCB對(duì)應(yīng)的內(nèi)容
• 讓子進(jìn)程和父進(jìn)程指向同樣的代碼
• 此時(shí)父子進(jìn)程都有獨(dú)立的task_struct對(duì)象，可以被CPU調(diào)度運(yùn)行了

• return ret;

由于父子進(jìn)程會(huì)共享一份代碼，所以在 fork 函數(shù)執(zhí)行 return 語句之前，子進(jìn)程的 PCB 對(duì)象就已經(jīng)被創(chuàng)建出來了，CPU 已經(jīng)可以去同時(shí)調(diào)度父子進(jìn)程。由于 fork 函數(shù)中的 return 語句也是被共享的，所以 fork 函數(shù)有兩個(gè)返回值。

2.4 一個(gè)變量怎么會(huì)有不同的內(nèi)容？

1. fork 的返回值如何寫入不同的變量空間

當(dāng)調(diào)用 fork 時(shí)，父進(jìn)程與子進(jìn)程會(huì)各自接收一個(gè)返回值，并且寫入同名變量 id。但這并不意味著他們共享同一塊內(nèi)存，而是因?yàn)椋?/p>

• 獨(dú)立的進(jìn)程地址空間
  每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的虛擬地址空間。在 fork 之后，父進(jìn)程與子進(jìn)程的地址空間是彼此獨(dú)立的。盡管子進(jìn)程初始時(shí)看起來與父進(jìn)程完全相同，但實(shí)際上它們的數(shù)據(jù)是分離的。
• 寫時(shí)拷貝（COW）機(jī)制
  操作系統(tǒng)為提高效率并節(jié)省資源，采用了寫時(shí)拷貝技術(shù)。在 fork 之后：
  • 父子進(jìn)程共享同一份內(nèi)存數(shù)據(jù)，直到有一方嘗試修改這些數(shù)據(jù)。
  • 當(dāng)某個(gè)進(jìn)程試圖修改數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)為該進(jìn)程分配新的物理內(nèi)存空間，并將被修改的數(shù)據(jù)復(fù)制到新分配的空間中。

2. fork 中變量 id 的本質(zhì)

在代碼中，變量 id 是存儲(chǔ) fork 返回值的地方。以下幾點(diǎn)解釋了為什么同名變量可以存儲(chǔ)不同的值：

• 父子獨(dú)立運(yùn)行
  fork 返回后，父子進(jìn)程的執(zhí)行路徑分開。父進(jìn)程的 id 變量存儲(chǔ)的是子進(jìn)程的 PID，而子進(jìn)程的 id 變量存儲(chǔ)的是 0。
• 不同的內(nèi)存空間
  由于父子進(jìn)程的地址空間獨(dú)立，id 實(shí)際上存在于兩塊不同的內(nèi)存區(qū)域，即父進(jìn)程的 id 和子進(jìn)程的 id 是完全獨(dú)立的變量。
• 賦值過程
  fork 的返回值通過操作系統(tǒng)寫入到父子進(jìn)程各自的 id 變量中： 父進(jìn)程在 return 時(shí)向 id 寫入子進(jìn)程的 PID。子進(jìn)程在 return 時(shí)向 id 寫入 0。

結(jié)語

Linux父子進(jìn)程的運(yùn)行機(jī)制展示了操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高效性與靈活性。從fork的返回值設(shè)計(jì)到寫時(shí)拷貝（COW）的優(yōu)化方案，這一切都體現(xiàn)了Linux在性能與資源利用上的巧妙平衡。通過深入理解父子進(jìn)程的特性，不僅能夠提升系統(tǒng)編程的能力，還能為并發(fā)和并行程序設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論支持。希望本文能為你的學(xué)習(xí)和實(shí)踐帶來啟發(fā)，在Linux系統(tǒng)的探索中邁向更高的層次。

以上就是一文詳解Linux中的fork機(jī)制的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Linux fork機(jī)制的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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