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深入浅出--UNIX多进程编程之fork()函数

2024-07-09 02:13:11   224人阅读

0前言

上周都在看都在学习unix环境高级编程的第八章——进程控制。也就是这一章中，让我理解了unix中一些进程的原理。下面我就主要按照进程中最重要的三个函数来进行讲解。让大家通过阅读这一篇文章彻底明白进程这点事。希望对大家有所帮助。

1进程环境

         在学习进程之前，一定要了解一下unix的进程环境。系统如何对进程终止，和一个程序启动终止，程序运行的原理等，这些都有助于你理解进程的运行原理。这些内容都在我的上一篇文章中，请关注：http://blog.csdn.net/wallwind/article/details/6968323。文章中讲的较为详细。

2进程概念：

一个进程，主要包含三个元素：

a)        一个可以执行的程序；

b)        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）；

c)        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中的一个状态。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。

3 fork()函数

         fork()函数是进程的核心函数。当调用fork的时候，系统将创建一个新的进程，成为子进程（child process）。Fork函数定义形式如下：

[cpp] view plaincopy
  1. #include<unistd.h>  
  2.   
  3. Pid_t fork(void);//返回值：子进程返回0，父进程中返回子进程ID，出错则返回-1  


从返回值我们可以看到，Fork函数调用了一次，但是返回两次。其区别在于在子进程中返回值是0，而父进程的返回值则是新子进程的进程ID.

         上边的概念可能对初学者比较模糊，那么我们怎么理解fork呢？

         当你看到fork的时候，你可以把fork理解成“分叉”，在分叉的同时，生成的一个子进程复制了父进程的基本是所有的东西，包括代码、数据和分配给进程的资源。也就是子进程几乎是和父进程是一模一样的。但是子进程可能会根据不同情况调用其他函数。比如exec函数。

         下面我们用一个经典及比较典型简单的例子来看看。

    

[cpp] view plaincopy
  1.     #include"apue.h"  
  2.   
  3.   
  4. int glob=6;  
  5.   
  6. char buf[]="a write to stdout\n";  
  7.   
  8.    
  9.   
  10. int main(void)  
  11.   
  12. {  
  13.   
  14.        int var=88;  
  15.   
  16.        pid_t pid;  
  17.   
  18.    
  19.   
  20.        if(write(STDOUT_FILENO,buf,sizeof(buf)-1)!=sizeof(buf)-1)  
  21.   
  22.                 printf("writeerror");  
  23.   
  24.    
  25.   
  26.        printf("before fork with  换行符\n");  
  27.   
  28.        printf("before fork without换行符");     
  29.   
  30.        //printf("\n");  
  31.   
  32.    
  33.   
  34.        if((pid=fork())<0){  
  35.   
  36.                 printf("fork error");  
  37.   
  38.    
  39.   
  40.        }else if(pid==0){  
  41.   
  42.                 printf("I am is  child process,pid=%d\n",getpid());  
  43.   
  44.                 printf("my parentprocess‘s pid=%d\n",getppid());  
  45.   
  46.                 glob++;  
  47.   
  48.                 var++;  
  49.   
  50.        }else{  
  51.   
  52.                 printf("this is parentprocess,pid=%d\n",getpid());  
  53.   
  54.                 //var++;  
  55.   
  56.        }  
  57.   
  58.    
  59.   
  60.        printf("pid=%d,glob=%d,var=%d\n",getpid(),glob,var);  
  61.   
  62.        exit(0);  
  63.   
  64. }  


输出结果：                             

希望新手能够将以上代码自己敲一遍，然后自己运行一遍。

从上边的结果我们一步步分析。首先我们看到两行文字是只输出一遍的。

既”a write to stdout”

         “Befork forkwhit h换行符”。

也就是只有一个进程执行这两个输出语句。我们先暂且不分析不带换行符的。

当程序调用fork的时候，这个时候程序就出现了一个进程，也就是两个进程在执行。

请看下边的简易图形

在上边我们已经讲过fork函数会因为不同调用返回不同的函数值：

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；

现在我们看程序里的几个函数。Write函数是将buf内容写到标准流中。此处只作为输出用。

我们关心的是getpid()函数和getppid()函数。

getpid()函数是用来输出当前成进程的ID，getppid()则得到当前进程的父进程的ID,从输出结果比对可以看到，子进程得到的父ID和父进程得到自己的ID是相同的。

再来看一下全局变量glob，glob是函数外的变量。子进程将glob++处理，这个时候输出的是7，父进程没有进行处理直接输出6。我们可以知道，这两个glob变量显示是两份的。不相干的。

局部变量var也是同样的结果。。。。

现在我们来解释一下为什么

[cpp] view plaincopy
  1. printf("before fork with  换行符\n");  
  2.   
  3. printf("before fork without换行符");     


上一句只输出了一次，而下边这句话就输出了两次。

我们可以发现printf("before fork with  换行符\n");这句带有\n既换行符的意思。而

[cpp] view plaincopy
  1. printf("before fork without换行符");     


是没有带的。

这个我们要知道printf函数是有缓冲机制的，类似于我们使用的write函数，但我们将想要的东西输出的时候，系统仅仅是把内容放到stdout标准输出的缓冲队列的。当遇到“\n”的时候，系统就把缓冲里的东西给清掉，输出到屏幕上。

        

[cpp] view plaincopy
  1. printf("beforefork with  换行符\n");  


执行后，缓冲里没有了数据，自然子进程再次执行的时候没有内容可输出了。但是printf("before fork without换行符");的时候，子进程也会把stdout的内容再次输出来。也就是导致了内容出处了两边。如果换一下书序的，结果是不一样的哦。

3 fork难度进阶

csdn看到一篇比较好的讲解fork的文章。较为深入的讲解。下面我就经过自己的调试和理解将呈现给大家。首先看一段代码：

[cpp] view plaincopy
  1. #include "apue.h"  
  2.   
  3.    
  4.   
  5. int main(void)  
  6.   
  7. {  
  8.   
  9.        int i=0;  
  10.   
  11.        pid_t pid;  
  12.   
  13.    
  14.   
  15.        for(i=0;i<2;i++)  
  16.   
  17.        {  
  18.   
  19.                 if((pid=fork())<0){  
  20.   
  21.                         printf("forkerror\n");  
  22.   
  23.                 }else if(pid==0){  
  24.   
  25.                        printf("%d,childself‘s pid=%d,parent‘s pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);  
  26.   
  27.                }else{  
  28.   
  29.                        printf("%d,parentself‘s pid=%d,parent‘s father‘s pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);  
  30.   
  31.                         sleep(2);//inorder tochild output first  
  32.   
  33.                 }  
  34.   
  35.        }  
  36.   
  37.        exit(0);  
  38.   
  39. }  


输出的结果为：

好好的分析一下我们的结果。0开始的输出为2行，1开头的输出4行。

然后我们开始观察PID的结果。从pid的结果我们找到一个关系

既9278-》30361-》30362-》30363

9278-》30361-》30364

要知道，fork函数子进程调用的时候返回0，而父进程调用的时候则返回子进程的ID。

程序运行第一步：

[cpp] view plaincopy
  1. if((pid=fork())<0){  
  2.   
  3.                         printf("forkerror\n");  
  4.   
  5.                 }else if(pid==0){  
  6.   
  7.                        printf("%d,childself‘s pid=%d,parent‘s pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);  
  8.   
  9.                 }else{  
  10.   
  11.                        printf("%d,parentself‘s pid=%d,parent‘s father‘s pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);  
  12.   
  13.                         sleep(2);//inorder tochild output first  
  14.   
  15.                 }  


输出的结果为：

这是第一次循环输出输出的。

Childpid和return 均为父ID为30361生成的30361。

此时已经有了两个进程了。

进程ID分别为30362和30361。

第二次循环输出。

我们知道了此时两个进程30362和30361。这两个进程分别执行自己的代码。

ü  这个时候pid为30362的进程进行一次：

循环，得到结果为：

     
生成了一个子进程30363

ü  30361进程再次执行自己的代码，也就是上述循环的部分。

生成了一个子进程30364.

从程序和输出结果可以看到，其实我们的程序得到了6份的拷贝。

通过这个例子，fork了三次，产生了三个子进程，输出了6次，你可以深刻的理解了fork工作原理了。

再来一个例子：

这个是典型的循环例子：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <unistd.h>  
  2.   
  3. #include<stdio.h>  
  4.   
  5.    
  6.   
  7. int main(void)  
  8.   
  9. {  
  10.   
  11.        pid_t pid;  
  12.   
  13.        int i=0;  
  14.   
  15.        int c_cout=0;  
  16.   
  17.        int p_cout=0;  
  18.   
  19.        for(i=0;i<5;i++)  
  20.   
  21.        {  
  22.   
  23.                 if((pid=fork())<0){  
  24.   
  25.                         printf("forkerror\n");  
  26.   
  27.                 }else if(pid==0){  
  28.   
  29.                         c_cout++;  
  30.   
  31.                }else{  
  32.   
  33.                         p_cout++;  
  34.   
  35.                 }  
  36.   
  37.    
  38.   
  39.        }  
  40.   
  41.        printf("c_cout=%d,p_cout=%d,pid=%d\n",c_cout,p_cout,getpid());  
  42.   
  43.    
  44.   
  45. }  


输出结果为：c_cout=5,p_cout=0,pid=1559

c_cout=4,p_cout=1,pid=1558

c_cout=4,p_cout=1,pid=1560

c_cout=3,p_cout=2,pid=1557

c_cout=4,p_cout=1,pid=1562

c_cout=3,p_cout=2,pid=1561

c_cout=4,p_cout=1,pid=1566

c_cout=3,p_cout=2,pid=1565

c_cout=3,p_cout=2,pid=1569

c_cout=2,p_cout=3,pid=1568

c_cout=4,p_cout=1,pid=1574

c_cout=3,p_cout=2,pid=1573

c_cout=3,p_cout=2,pid=1577

c_cout=2,p_cout=3,pid=1576

c_cout=3,p_cout=2,pid=1581

c_cout=2,p_cout=3,pid=1580

c_cout=2,p_cout=3,pid=1584

c_cout=1,p_cout=4,pid=1583

c_cout=3,p_cout=2,pid=1563

c_cout=2,p_cout=3,pid=1556

c_cout=2,p_cout=3,pid=1564

c_cout=2,p_cout=3,pid=1570

c_cout=1,p_cout=4,pid=1555

c_cout=3,p_cout=2,pid=1575

c_cout=2,p_cout=3,pid=1572

c_cout=2,p_cout=3,pid=1578

c_cout=1,p_cout=4,pid=1571

c_cout=2,p_cout=3,pid=1582

c_cout=1,p_cout=4,pid=1579

c_cout=1,p_cout=4,pid=1585

c_cout=0,p_cout=5,pid=1554

通过推理：引用网络文章可得到：

设f(n)表示程序中循环会执行n次时整个程序会产生的进程数，很容易得到递推公式：

f(n)=1+f(n-1)+f(n-2)+f(n-3)+…+f(0)

比如for i=0;i<N;I++< p>

因为i=0时fork()的子进程下次会继续循环n-1次，i=1时 fork()的子进程下次会仅需循环n-2 次。。。。

其中常数1是进程本身。

边界条件，f(0)=1

这样，我们就得到了问题的答案：

f(n)=1+f(n-1)+f(n-2)+…+f(0)

f(0)=1

这个可以求出闭形式：

f(0)=1

f(1)=2

f(2)=4

…

用数学归纳法可以得到f(n)=2^n

所以对于程序一，会打印出2^5-1=31行信息。

对于程序二，总共会产生2^5=32个进程。

不过，我还是不知道为什么两个变量的结果怎么是那种形式的输出，求指导啊！！！

下面贴一下比较有意思的一段代码：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>   
  2.   
  3. #include <unistd.h>   
  4.   
  5. int main(int argc, char* argv[])   
  6.   
  7. {   
  8.   
  9. fork();   
  10.   
  11. fork() && fork() || fork();         
  12.   
  13. fork();   
  14.   
  15. return 0;   
  16.   
  17. }   


我们要知道&& 和||运算符。&&有个短路现象。

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。

通过画图我们可以得到如下

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。

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