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【Linux】fork入门级使用

article 2024/9/30 3:03:26

一、前置准备

1、进程的基本概念

2、进程标识符PID、PPID

1）pid介绍

2）获取pid和ppid

二、fork函数

1、fork的基本介绍

1）fork（）：创建子进程

2）对于函数具体的描述

3）两个返回值

2、感受一下fork的使用

3、子进程的作用？-->实现不同于父进程的功能

4、创建的子进程如何存储，PCB都是如何确定的？-->子进程（PCB单独创建）和父进程共享代码和数据

5.为什么fork要有两个返回值?

6.为什么fork要给子进程返回0，给父进程返回子进程pid?

7.fork之后,父子进程谁先运行?

7.一个变量怎么会有不同的内容?-->地址空间

全文在Ubuntu 20.04.6 LTS的环境下使用C语言！

本篇文章需要大家具备一定的Linux的基础下，进行学习~

一、前置准备

1、进程的基本概念

【Linux】进程周边：进程概念-CSDN博客

这篇文章中已经将进程的基础概念、进程控制块PCB、查看进程的基本信息、杀掉进程，进行了介绍~

稍后本篇也会提及到部分内容。

2、进程标识符PID、PPID

1）pid介绍

进程标识符：pid

task_struct里面的一个变量
当前操作系统中每个进程的唯一性标识

PPID：当前进程的父进程的标识符

获取进程(pid) 的函数：getpid()；
获取父进程(ppid) 的函数：getppid()；
进程的pid都是独一无二的，每次运行程序，都相当于一个新的进程，所以每启动一次程序，该进程的pid就会变化，但是父进程的PID不会变。（也就是无论孩子怎么变化，他的父亲该是谁，就是还是谁！）
在命令行运行的命令或程序都是bash的子进程；
几乎所有的指令都是程序，运行起来都是进程；

2）获取pid和ppid

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);

通过man 手册查询getpid()的使用。
man getpid
获取进程(pid) 的函数：getpid()；
获取父进程(ppid) 的函数：getppid()；

二、fork函数

1、fork的基本介绍

我们先来看看Linux系统中对于fork函数是怎么介绍的！

使用man指令查询
man fork
可见：

1）fork（）：创建子进程

2）对于函数具体的描述

fork()通过复制调用进程来创建一个新进程。
新进程被称为子进程。调用进程被称为父进程。
子进程和父进程在单独的内存空间中运行。
子进程几乎是父进程的完全拷贝（某些情况例外）

3）两个返回值

如果成功，则在父进程中返回子进程的PID，并在子进程中返回0。
如果失败，则在父进程中返回-1，不创建子进程，并适当设置errno

这就是fork的特性，具有两个返回值！

2、感受一下fork的使用

让我们根据以下代码，对于fork的使用进一步了解。

我们希望这段代码能够达到，

创建进程之后，

父进程可以输出自己的pid、以及自己对应的父进程的pid、还有fork子进程的pid

子进程可以输出自己的pid、以及自己对应的父进程的pid、还有返回值0

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

int main()
{
    printf("创建子进程前，这只有一个进程，pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());

    sleep(3);//休眠3秒
    //我们创建进程，感受父子进程
    printf("创建新的进程了\n");

    pid_t id = fork();//接收返回值

    //利用条件选择语句，区分父、子进程
    //id = 0 --> 当前进程是子进程
    //id = 子进程的pid  -->那么当前进程是父进程
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        while(1){
            printf("after fork, 我是子进程: I am a prcess, pid: %d, ppid: %d, return id: %d\n\n", getpid(), getppid(), id);
            sleep(1);//休眠1秒，避免刷新太快
        }
    }
    else{
        //父进程
         while(1){
            printf("after fork, 我是父进程: I am a prcess, pid: %d, ppid: %d, return id: %d\n\n", getpid(), getppid(), id);
            sleep(1);
        }

    }

    return 0;
}

具体的pid变化过程：

父子进程可以执行不同的任务

通过上面的代码，可以看到父、子进程可以利用条件选择if else同时执行不同的内容。

那么，子进程就可以做一些父进程不能做，又或是不敢做的事情，这样既不会危害到父进程，也能完成任务。

通过上文的代码实现，我们可以对fork又有了进一步的了解。那么对于fork，又会引发对应的问题.

首先，子进程究竟有什么作用？

以及创建的子进程的存储和进程信息都是如何确定的？

为什么fork要有两个返回值?

为什么fork要给子进程返回0，给父进程返回子进程pid?

父子进程怎么实现执行的不同的内容

3、子进程的作用？-->实现不同于父进程的功能

通过上面的代码和图文,可以发现fork之前的代码只有父进程执行
然而fork之后的代码父子进程都要执行

创建子进程的意义就是
为了让子进程执行和父进程不一样的代码，实现和父进程不一样的功能。
比如我们可以一边下载聊天，一边播放音乐,这两个过程就是不同的进程在执行!

那修改一下功能，

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

int main()
{
    printf("创建子进程前，这只有一个进程，pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());

    sleep(3);//休眠3秒
    //我们创建进程，感受父子进程
    printf("创建新的进程了\n");

    pid_t id = fork();//接收返回值

    //利用条件选择语句，区分父、子进程
    //id = 0 --> 当前进程是子进程
    //id = 子进程的pid  -->那么当前进程是父进程
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        while(1){
            printf("after fork, 我是子进程,正在播放视频: pid: %d, ppid: %d, return id: %d\n\n", getpid(), getppid(), id);
            sleep(1);//休眠1秒，避免刷新太快
        }
    }
    else{
        //父进程
         while(1){
            printf("after fork, 我是父进程，正在进行聊天: pid: %d, ppid: %d, return id: %d\n\n", getpid(), getppid(), id);
            sleep(1);
        }

    }

    return 0;
}

可以查看图片，确实父子进程分别在实现不同的功能。

4、创建的子进程如何存储，PCB都是如何确定的？-->子进程（PCB单独创建）和父进程共享代码和数据

fork会创建子进程，系统中会多出一个子进程。

操作系统以父进程为模板，为子进程创建PCB,但是子进程中是没有代码和数据的,所以子进程和父进程共享代码和数据
所以fork之后,父子进程会执行一样的代码。

5.为什么fork要有两个返回值?

返回不同的返回值，是为了 区分父、子
为了让fork以后的if、while等条件判断语句进行区分，来让父子进程执行不同的代码片段
两个进程可以执行不同的功能（进程之间是相互独立的）

最重要的也是因为，

fork执行过程中，

子进程被创建完毕，自然就会会执行父进程中的代码和数据，自然也会执行到return这一句。

因此，父子都会返回一个数值，产生了两个返回值。

以下，是fork函数执行的大概逻辑！！

可以发现,在fork函数return之前,
就已经创建了子进程,并且将子进程放入调度队列中运行了，

所以当子进程，在调度队列时，它和父进程就已经分流了。

而不是真正在fork函数return之后才分流的

并且创建完子进程后代码是共享的，在fork以后的代码执行了两次
很明显return也是一句代码。

所以父子进程，都会执行return语句，fork函数有两个返回值

部分内容参考这个篇文章：【linux进程(二)】如何创建子进程?--fork函数深度剖析_linux系统用for循环创建三个子进程-CSDN博客

6.为什么fork要给子进程返回0，给父进程返回子进程pid?

一个进程只能有一个父进程，但是可以拥有多个子进程。
一个父进程可以创建很多个子进程，然而一个子进程只对应一个父进程，所以fork函数会返回子进程的pid给父进程,方便父进程对于子进程进行管理。

7.fork之后,父子进程谁先运行?

创建完成子进程后，这只是一个开始，系统的其他进程，父进程,子进程接下来会被调度执行!

问题是先调度谁?先创建就先调度吗?

答案明显不是！不能确定谁先执行。

在调度队列中,CPU会选择一个进程去运行它,谁先被调度，谁就先运行！

所以fork之后父子进程谁先运行，用户是不确定的，这是由各自进程PCB中的调度信息决定的,比如优先级,算法信息等等

8.一个变量怎么会有不同的内容?-->地址空间

我们继续使用一开始的代码。

在这段代码中，可以看到，if else两个都被执行了，也就是说，id这个变量满足两个不同的条件。-----> id这个变量有两个值。
#include<stdio.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    printf("创建子进程前，这只有一个进程，pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());

    sleep(3);//休眠3秒    
    printf("创建新的进程了\n");

    pid_t id = fork();//接收返回值
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        while(1){
            printf("after fork, 我是子进程: pid: %d, ppid: %d, return id: %d\n\n", getpid(), getppid(), id);
            sleep(1);
        }
    }
    else{
        //父进程
         while(1){
            printf("after fork, 我是父进程：pid: %d, ppid: %d, return id: %d\n\n", getpid(), getppid(), id);
            sleep(1);
        }

    }

    return 0;
}
但是同一个变量怎么可能有两个不同的值呢?

进程是有独立性的。
首先是表现在进程各自的PCB运行时不会相互影响。

很明显，代码本身只是可读的，所以不会影响代码。

但是对于数据来说，父子的数据是可能不同的(可能会被修改)

所以系统是怎样做到让数据在各个进程都自己私有一份的?

答案是写时拷贝(类似于学习类和对象时的深浅拷贝数据会在需要使用时，被写时拷贝到PCB。)
然而fork返回值赋值给变量时,本质也是写入,返回时也会发生写时拷贝,所以不同
的进程执行的代码中的变量id获取的值不同!