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Linux进程控制--fork()的分析

时间:2015-10-17 02:32来源:linux.it.net.cn 作者:IT

 

一般来说,linux下的进程包含以下几个关键要素:

  • 有一段可执行程序;
  • 有专用的系统堆栈空间;
  • 内核中有它的控制块(进程控制块),描述进程所占用的资源,这样,进程才能接受内核的调度;
  • 具有独立的存储空间

 

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

int main(void)
{
    pid_t pid;

    printf("leon!");
     //printf("leon! ");
    pid = fork();
    if (pid < 0)
        printf("fork error! ");
    else if (pid == 0)
        printf("the child process,pid is %d ",getpid());
    else
        printf("the parent process,pid is %dn ",getpid());

    return 0;
}

执行结果是:
leon!
the parent process,pid is 2617n
leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ the child process,pid is 2618
 
要搞清楚fork的执行过程,就必须先讲清楚操作系统中的“进程(process)”概念。一个进程,主要包含三个元素: 
o. 一个可以执行的程序; 
o. 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); 
o. 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(PCB,task_struct)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。 
一个称为“程序计数器(program counter, pc)”的寄存器,指出当前占用 CPU的进程要执行的下一条指令的位置。 
当分给某个进程的 CPU时间已经用完,操作系统将该进程相关的寄存器的值,保存到该进程在进程表中对应的表项里面;把将要接替这个进程占用 CPU的那个进程的上下文,从进程表中读出,并更新相应的寄存器(这个过程称为“上下文交换(process context switch)”,实际的上下文交换需要涉及到更多的数据,那和fork无关,不再多说,主要要记住程序寄存器pc指出程序当前已经执行到哪里,是进程上下文的重要内容,换出 CPU的进程要保存这个寄存器的值,换入CPU的进程,也要根据进程表中保存的本进程执行上下文信息,更新这个寄存器)。

好了,有这些概念打底,可以说fork了。
先分析问题1为什么有两个输出?
当你的程序执行到下面的语句:pid=fork();  操作系统创建一个新的进程(子进程),并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序,上下文和数据,绝大部分就是原进程(父进程)的拷贝(包括文件描述符表和环境变量),但它们是两个相互独立的进程这2个进程共享代码空间,但是数据空间是互相独立的(相同但独立),子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝,指令指针也完全相同,但只有一点不同,如果fork成功,子进程中fork的返回值是0,父进程中fork的返回值是子进程的进程号,如果fork不成功,父进程会返回错误。
此时程序寄存器pc,在父、子进程的上下文中都声称,这个进程目前执行到fork调用即将返回(此时子进程不占有CPU,子进程的pc不是真正保存在寄存器中,而是作为进程上下文保存在进程表中的对应表项内)。问题是怎么返回?父进程继续执行,操作系统对fork的实现,使这个调用在父进程中返回刚刚创建的子进程的pid(一个正整数),所以下面的if语句中pid<0, pid==0的两个分支都不会执行。所以输出the parent process... 
子进程在之后的某个时候得到调度,它的上下文被换入,占据 CPU,操作系统对fork的实现,使得子进程中fork调用返回0。所以在这个进程(注意这不是父进程了哦,虽然是同一个程序,但是这是同一个程序的另外一次执行,在操作系统中这次执行是由另外一个进程表示的,从执行的角度说和父进程相互独立)中pid=0。这个进程继续执行的过程中,if语句中pid<0不满足,但是pid==0是true。所以输出the child process... 我想比较困惑的就是,为什么看上去程序中互斥的两个分支都被执行了。在一个程序的一次执行中,这当然是不可能的;但是你看到的两行输出是来自两个进程,这两个进程来自同一个程序的两次执行。
 
问题2,the child process...输出位置?
这个程序是在Shell下运行的,因此Shell进程是父进程的父进程。父进程运行时Shell进程处于等待状态,当父进程终止时Shell进程认为命令执行结束了,于是打印Shell提示符,而事实上子进程这时还没结束,所以子进程的消息打印到了Shell提示符后面。最后光标停在This is the child的下一行,这时用户仍然可以敲命令,即使命令不是紧跟在提示符后面,Shell也能正确读取。在父进程加个延时,子进程就有可能会在Shell打印之前输出打印。

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

int main(void)
{
    pid_t pid;

    printf("leon!");
    
//printf("leon! ");

    pid = fork();
    if (pid < 0)
        printf("fork error! ");
    else if (pid == 0)
        printf("the child process,pid is %d ",getpid());
    else
    {
        printf("the parent process,pid is %d ",getpid());
        sleep(3);
    }    
    return 0;
}

执行结果是
leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ ./a.out 
leon!the parent process,pid is 3622
leon!the child process,pid is 3623
leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ 

问题3,“leon!”为何打印两次?
这就跟Printf的缓冲机制有关了,printf某些内容时,操作系统仅仅是把该内容放到了stdout的缓冲队列里了,并没有实际的写到屏幕上 但是,只要看到有 则会立即刷新stdout,因此就马上能够打印了. 运行了printf("leon!") 后, leon! 仅仅被放到了缓冲里,再运行到fork时,缓冲里面的 leon!被子进程继承了因此在子进程度stdout缓冲里面就也有了leon!
所以,你最终看到的会是 leon!被printf了2次!!!! 
而运行 printf("leon! ")后, leon!被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子进程里的stdout缓冲里不会有 leon!内容 ,因此leon!就只被打印了一次。
leon@leon-desktop:~/share/work/apue$ ./a.out 
leon!
the parent process,pid is 3781
the child process,pid is 3782
leon@leon-desktop:~/share/work/apue$


(责任编辑:IT)
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