操作系统 — fork()函数的使用与底层原理

た入场券 2022-06-04 04:23 401阅读 0赞

# fork()函数的使用与底层原理 #

在我第一次接触到fork函数的时候，那个时候我在牛客网刷题然后呢碰到一个关于fork()的函数的问题.总是没有办法理解那个printf()

为什么输出那 么 多次.终于通过学习完进程的创建明白了fork()的时候到底发生了什么事情. 下面我就来谈一谈我的一点小小的积累. 首

先我们来认识fork()的运用.

#include<unistd.h>
    
    pid_t fork(void);
    
    返回值:自进程中返回0，父进程返回进程id，出错返回-1

fork()系统调用通过复制一个现有进程来创建一个全新的进程. 进程被存放在一个叫做任务队列的双向循环链表当中.链 表当中的每一项

都是类型为 task\_struct成为进程描述符的结构.也就是我们写过的 [进程PCB][PCB] .

小知识:内核通过一个位置的进程标识值或PID来标识每一个进程.//最大值默认为32768，short int短整型的最大值. 他就是系统中允许

同时存在的进 程 最大的数目. 如果你觉得我在胡扯！！！ 那么！ 你去你的linux下的proc目录中寻找一个 pid\_max的文件，并打开它.

这个时候你就懂了.

![20171204151558526][]

## fork()运行时做的事情 ##

首先我们来看一段代码，不过这里会有一点奇怪的现象:

![20171204154550631][]

这段代码的运行结果，大家如果像我当时不了解fork的时候，一定会以为输出结果是两个doing，然后2个printf里面的内容. 因为

我们复制出来了两个 一模一样的进程，那么他们就应该做同样的事情. But!!! 我们看运行结果:

![20171204154737520][]

结果并非我们想的那样，这个时候我们就需要知道fork出子进程之后，程序的运行细节.这里我画一张图帮助我理解：

![20171204155921183][]

一般来说，在fork之后是父进程先执行还是子进程先执行是不确定的.这取决于内核所使用的调度算法.如果要求父，子进程之间相

互同步.则要求某种 形式的进程间通信. 好了我们继续，当进程调用fork后，当控制转移到内核中的fork代码后，内核会做4件事情:

**1.分配新的内存块和内核数据结构给子进程**

**2.将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程**

**3.添加子进程到系统进程列表当中**

**4.fork返回，开始调度器调度**

第一个问题，为什么frok成功调用后返回两个值?

由于在复制时复制了父进程的堆栈段，所以两个进程都停留在fork函数中，等待返回.因为fork函数会返回两次,一次是在父进程中返回，

另一次是在子进程中返回，这两次的返回值不同.

从fork函数开始以后的代码父子共享，既父进程要执行这段代码，子进程也要执行这段代码.(子进程获得父进程数据空间，堆和栈的副

本. 但是父子进程并不共享这些存储空间部分. 父，子进程共享代码段.)现在很多现实并不执行一个父进程数据段，堆和栈的完全复制.

而是采用 [写时拷贝技术][Link 1]( 不懂 可以戳进去看一看).这些区域有父子进程共享，而且内核地他们的访问权限改为只读的.如果父子进程中任一

个试图修改这些区域,则内核值为修改区域的那块内存制作一个副本, 也就是如果你不修改我们一起用，你修改了之后对于修改的那部分

内容我们分开各用个的.

fork()函数在底层中做了什么?

linux平台通过clone()系统调用实现fork(). fork(),vfork()和clone()库函数都根据各自需要的参数标志去调用clone()，然后由clone()去

调用do\_fork(). 再然后do\_fork()完成了创建中的大部分工作，他定义在kernel/fork.c当中.该函数调用copy\_process(). 然后重点来了，

我们看看这个copy\_process函数到底做了那些事情?? 我画一张图帮我们理解：

![20171204170716379][]

#    vfork和fork的之间的比较: #

vfork()的诞生是在fork()还没有写时拷贝的时候，因为那个时候创建一个子进程的成本太大了，如果一下子创建好多了那么程序的效率

一定会下 降. 然后就有人提出了vfork(). vfork的实现原理非常简单，就是子进程，父进程完全公用一个资源. 就是是有人修改了内容，

甚至main()函数退出了 也不会新开辟一个空间. 这里里会有问题的，如果你的一个子进程没有使用exit()退出，那么程序就会出现段错误.

不相信可以去试一试~

为什么会出现段错误?

在函数栈上面，子进程运行结束了，main的函数栈被子进程释放了，然后父进程在使用的时候，就访问不到了，一旦vfork出子进程，

退出的时候需要 使用exit来结束.

**vfork和fork之间的区别:**

**1.fork父子进程交替运行，vfork子进程运行，父进程阻塞，直到子进程结束.**

**2.fork实现了写时拷贝. vfork直接让父子进程公用资源然后无论如何也不会多开辟空间拷贝了,**

**3,vfork必须使用exit或者excl退出.**

**4.就算是fork使用了写时拷贝，也没有vfork性能高.**

**5.每个系统上的vfork都有问题，推荐不要使用.**

[PCB]: http://blog.csdn.net/dawn_sf/article/details/78639785
[20171204151558526]: /images/20220604/cae79c2890664f3cb3b217dc435b201e.png
[20171204154550631]: /images/20220604/b03c646973de4677bb742c8708df3847.png
[20171204154737520]: /images/20220604/f61166b85db34b089401dc3bf14e82f7.png
[20171204155921183]: /images/20220604/d3e0d56610b749a3b4beacb688ddf682.png
[Link 1]: http://blog.csdn.net/dawn_sf/article/details/66522352
[20171204170716379]: /images/20220604/c348cfeee26742caaa26e4d4754df72d.png

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