Linux高级编程——fork进程控制

一、进程标识

每个进程都有一个非负整数表示的唯一的进程 ID，因为进程 ID 标识符总是唯一的，所以常常把 ID 作为其他标识符的一部分用来保证唯一性。

并且进程的 ID 也是可以复用的，当一个进程终止后，其进程 ID 就可能被其他刚创建的进程所使用。

Linux 系统提供了一些获取进程 ID 的函数：

getpid 获取当前进程ID

getppid 获取父进程ID

 这两个函数比较简单，就是直接调用然后输出即可，可以自己尝试输出试试。

二、进程的 system 接口

我们在 Windows 下有 system 接口可以使用，例如打开记事本：

system("notepad");

同样在 Linux 下也有这个接口，可以执行相关的程序：

 例如，使用 system 接口来执行 ls 命令：

 system 接口底层其实还是使用系统调用 fork，exec，waitpid 来执行程序，只是在上层又封装了一次。

三、创建进程 fork

1. fork 的定义

在 Linux 中，我们使用 fork 来创建一个子进程：

2. fork 的返回值

fork 函数有些特殊，成功它返回 2 次，失败返回 -1，利用这个特性可以判断当前的进程是子进程还是父进程：

1. 在子进程中返回 0
2. 在父进程中返回子进程的进程 ID

 

 我们编译运行看看效果：

 可以看到父进程的返回值是子进程的 PID：12557，子进程的 PID 正是 12557，这也验证了 fork 的返回值的特点。

3. fork 的写时复制技术

通过执行 fork，子进程得到父进程的一个副本，例如子进程获得父进程的数据空间，堆和栈的副本，但是它们并不共享存储空间，它们只共享代码段。

但是在现在的系统实现中，并不执行拷贝父进程的副本，作为替代方案，而是使用写时复制（Copy - On - Write）技术。

写时复制：在 fork 之后，这些区域由父子进程共享，而且内核将它们的访问权限改变为只读，如果父子进程中的任何一个试图修改这些区域，内核只为修改区域的那片内存制作一个副本给子进程。

不管是哪种技术实现，最后父子进程的数据都是独立的，不会相互影响，我们来看一个实际的例子：

 编译运行：

结果是父子进程中的 count = 1，如果父子进程的 count 不独立的话，子进程的 count 应该等于 2，但是实际上是等于 1，说明父子进程的数据是独立的。

4. 子进程的执行位置

fork 还有一个特点：子进程不是从 main 函数开始执行的，而是从 fork 返回的地方开始，我们来看个实际的例子：

 

 编译运行结果：

看到只打印一个 Before 信息，没有打印 2 个 Before 原因是：

内核通过复制父进程 9670 来创建子进程 9671，并将父进程 9670 代码和当前运行到的位置都复制到子进程 9671。

所以新的子进程 9671 从 fork 返回的地方开始运行，而不是从头开始，也就不会打印开头的 Before 了。

四、创建进程 vfork

还有一个创建进程的系统调用 vfork，它跟 fork 很相似，但是也有几点不同：

1. vfork 的目的是创建一个子进程来运行一个程序
2. vfork 并不复制父进程地址空间，子进程在父进程地址空间中运行，并阻塞父进程直到子进程返回
3. vfork 保证子进程先运行
4. 子进程需要调用 exec 或 exit 函数退出，否则会带来未知结果。

来看个实际的例子：

 编译运行：

这个结果跟前面使用 fork 的例子是不同的，使用 vfork 先打印的子进程信息，再打印父进程的信息，是因为父进程被阻塞了，直到子进程执行完了才有机会执行。

并且由于子进程在父进程的地址空间中运行，所以子进程中对 count 加一的操作对父进程也是有效的，因此最后父进程的 count = 2。

exec

fork 函数里面最后也是调用 exec 等函数来执行程序的，我们有必须要了解这个函数：

exec 有很多变种函数，例如 execlp，execle，等等，但基本的用法都是差不多的，这里就以 execl 为例来看个程序：

 

 运行结果就相当与 shell 命令：ps - ef，其他的变种函数可以通过 man exec来查看。

五、进程等待 wait

父进程可以使用 wait 系统调用主动等待子进程或者指定进程结束，并获得子进程的结束信息：

这个系统调用的过程如下：

1. wait 暂停调用它的进程直到子进程结束
2. wait 调用成功返回子进程的 PID
3. wstatus 存储子进程的返回信息（正常退出，异常退出，被信号杀死），以此来知道子进程是如何结束的

大致的流程如下：

 来看看 wait 是如何使用的：

 编译运行：

可以看到父进程成功等待了子进程 3 s，并得到了存储在 status 中的返回值，这个 status 有 2 种状态：

1. 如果子进程调用 exit 退出，那么内核将 exit 的退出状态码放在 status 中
2. 如果进程被杀死，内核将信号序列放在 status 中

实际使用时，wait 提供了相关的宏来判断 status 的状态，详情参考 man wait。

另外 waitpid 与 wait 几乎的相同的，作为锻炼，就留给你自己去学习吧，参考 man waitpid。

六、进程结束

既然能够创建进程，那肯定能够结束进程，在 Linux 中进程退出又分为正常和异常退出，分别来了解了解。

1. 正常退出

有 5 种正常退出进程的方法：

1. 在 main 内执行 return，等价于调用 exit
2. 调用 exit
3. 调用 _exit 或 _Exit
4. 进程的最后一个线程在其启动例程中执行 return 语句
5. 进程的最后一个线程调用 pthread_exit 函数

2. 异常终止

有 3 种异常终止的方法：

1. 调用 abort，产生 SIGABRT 信号
2. 当进程接受到某些信号时
3. 最后一个线程对「取消」请求作出响应

不管是哪种终止情况，我们都可以使用 wait 或者 waitpid 来得到子进程的退出状态。