linux--fork()函式詳解及底層實現機制

fork底層實現機制：Linux中實現為呼叫clone函式，然後為do_fork，再然後copy_process()複製程序（複製相應資料結構例如:核心棧、thread_info、task_struct），然後設定子程序描述符內一些成員初始值，再設定子程序狀態為阻塞，保證其不執行，分配PID；最後再從父程序中拷貝其他資訊例如:開啟的檔案、檔案系統資訊。

一、fork()基礎

一個程序，包括程式碼、資料和分配給程序的資源。fork()函式通過系統呼叫建立一個與原來程序幾乎完全相同的程序，

也就是兩個程序可以做完全相同的事，但如果初始引數或者傳入的變數不同，兩個程序也可以做不同的事。

一個程序呼叫fork()函式後，系統先給新的程序分配資源，例如儲存資料和程式碼的空間。然後把原來的程序的所有值都

複製到新的新程序中，只有少數值與原來的程序的值不同。相當於克隆了一個自己。

來看一個例子：

/*
* fork_test.c
* version 1
* Created on: 2010-5-29
* Author: wangth
*/
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main ()
{
pid_t fpid; //fpid表示fork函式返回的值
int count=0;
fpid=fork();
if (fpid < 0)
printf("error in fork!");
else if (fpid == 0) {
printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());
printf("我是爹的兒子/n");//對某些人來說中文看著更直白。
count++;
}
else {
printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());
printf("我是孩子他爹/n");
count++;
}
printf("統計結果是: %d/n",count);
return 0;
}

執行結果是：
    i am the child process, my process id is 5574
    我是爹的兒子
    統計結果是: 1
    i am the parent process, my process id is 5573
    我是孩子他爹
    統計結果是: 1

在語句fpid=fork()之前，只有一個程序在執行這段程式碼，但在這條語句之後，就變成兩個程序在執行了，這兩個程序的幾乎完全相同，

將要執行的下一條語句都是if(fpid<0)……
為什麼兩個程序的fpid不同呢，這與fork函式的特性有關。

fork呼叫的一個奇妙之處就是它僅僅被呼叫一次，卻能夠返回兩次，它可能有三種不同的返回值：
    1）在父程序中，fork返回新建立子程序的程序ID；
    2）在子程序中，fork返回0；
    3）如果出現錯誤，fork返回一個負值；

在fork函式執行完畢後，如果建立新程序成功，則出現兩個程序，一個是子程序，一個是父程序。在子程序中，fork函式返回0，在父程序中，

fork返回新建立子程序的程序ID。我們可以通過fork返回的值來判斷當前程序是子程序還是父程序。

引用一位網友的話來解釋fpid的值為什麼在父子程序中不同。“其實就相當於連結串列，程序形成了連結串列，父程序的fpid(p 意味point)指向子程序的程序id,

因為子程序沒有子程序，所以其fpid為0.

fork出錯可能有兩種原因：
1）當前的程序數已經達到了系統規定的上限，這時errno的值被設定為EAGAIN。
2）系統記憶體不足，這時errno的值被設定為ENOMEM。

建立新程序成功後，系統中出現兩個基本完全相同的程序，這兩個程序執行沒有固定的先後順序，哪個程序先執行要看系統的程序排程策略。
每個程序都有一個獨特（互不相同）的程序識別符號（process ID），可以通過getpid（）函式獲得，還有一個記錄父程序pid的變數，可以通過getppid（）函式獲得變數的值。
fork執行完畢後，出現兩個程序，

有人說兩個程序的內容完全一樣啊，怎麼列印的結果不一樣啊，那是因為判斷條件的原因，上面列舉的只是程序的程式碼和指令，還有變數啊。

執行完fork後，程序1的變數為count=0，fpid！=0（父程序）。程序2的變數為count=0，fpid=0（子程序），這兩個程序的變數都是獨立的，

存在不同的地址中，不是共用的，這點要注意。可以說，我們就是通過fpid來識別和操作父子程序的。

還有人可能疑惑為什麼不是從#include處開始複製程式碼的，這是因為fork是把程序當前的情況拷貝一份，執行fork時，程序已經執行完了int count=0;

fork只拷貝下一個要執行的程式碼到新的程序。

二、fork進階知識

先看一份程式碼：

/*
* fork_test.c
* version 2
* Created on: 2010-5-29
* Author: wangth
*/
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int i=0;
printf("i son/pa ppid pid fpid/n");
//ppid指當前程序的父程序pid
//pid指當前程序的pid,
//fpid指fork返回給當前程序的值
for(i=0;i<2;i++){
pid_t fpid=fork();
if(fpid==0)
printf("%d child %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
else
printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
}
return 0;
}

    執行結果是：
    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

這份程式碼比較有意思，我們來認真分析一下：
第一步：在父程序中，指令執行到for迴圈中，i=0，接著執行fork，fork執行完後，系統中出現兩個程序，分別是p3224和p3225

（後面我都用pxxxx表示程序id為xxxx的程序）。可以看到父程序p3224的父程序是p2043，子程序p3225的父程序正好是p3224。我們用一個連結串列來表示這個關係：
p2043->p3224->p3225
第一次fork後，p3224（父程序）的變數為i=0，fpid=3225（fork函式在父程序中返向子程序id），程式碼內容為：

for(i=0;i<2;i++){
    pid_t fpid=fork();

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