深入淺出--UNIX多進程編程之fork()函數

http://blog.csdn.net/wallwind/article/details/6996004

0前言

上週都在看都在學習unix環境高級編程的第八章——進程控制。也就是這一章中，讓我理解了unix中一些進程的原理。下面我就主要按照進程中最重要的三個函數來進行講解。讓大家通過閱讀這一篇文章徹底明白進程這點事。希望對大家有所幫助。

1進程環境

         在學習進程之前，一定要了解一下unix的進程環境。系統如何對進程終止，和一個程序啓動終止，程序運行的原理等，這些都有助於你理解進程的運行原理。這些內容都在我的上一篇文章中，請關注：http://blog.csdn.net/wallwind/article/details/6968323。文章中講的較爲詳細。

2進程概念：

一個進程，主要包含三個元素：

a)        一個可以執行的程序；

b)        和該進程相關聯的全部數據（包括變量，內存空間，緩衝區等等）；

c)        程序的執行上下文（execution context）。

不妨簡單理解爲，一個進程表示的，就是一個可執行程序的一次執行過程中的一個狀態。操作系統對進程的管理，典型的情況，是通過進程表完成的。進程表中的每一個表項，記錄的是當前操作系統中一個進程的情況。對於單 CPU的情況而言，每一特定時刻只有一個進程佔用 CPU，但是系統中可能同時存在多個活動的（等待執行或繼續執行的）進程。

3 fork()函數

         fork()函數是進程的核心函數。當調用fork的時候，系統將創建一個新的進程，成爲子進程（child process）。Fork函數定義形式如下：

#include<unistd.h>

Pid_t fork(void);//返回值：子進程返回0，父進程中返回子進程ID，出錯則返回-1

從返回值我們可以看到，Fork函數調用了一次，但是返回兩次。其區別在於在子進程中返回值是0，而父進程的返回值則是新子進程的進程ID.

         上邊的概念可能對初學者比較模糊，那麼我們怎麼理解fork呢？

         當你看到fork的時候，你可以把fork理解成“分叉”，在分叉的同時，生成的一個子進程複製了父進程的基本是所有的東西，包括代碼、數據和分配給進程的資源。也就是子進程幾乎是和父進程是一模一樣的。但是子進程可能會根據不同情況調用其他函數。比如exec函數。

         下面我們用一個經典及比較典型簡單的例子來看看。

    

    #include"apue.h"


int glob=6;

char buf[]="a write to stdout\n";



int main(void)

{

       int var=88;

       pid_t pid;



       if(write(STDOUT_FILENO,buf,sizeof(buf)-1)!=sizeof(buf)-1)

                printf("writeerror");



       printf("before fork with  換行符\n");

       printf("before fork without換行符");

       //printf("\n");



       if((pid=fork())<0){

                printf("fork error");



       }else if(pid==0){

                printf("I am is  child process,pid=%d\n",getpid());

                printf("my parentprocess's pid=%d\n",getppid());

                glob++;

                var++;

       }else{

                printf("this is parentprocess,pid=%d\n",getpid());

                //var++;

       }



       printf("pid=%d,glob=%d,var=%d\n",getpid(),glob,var);

       exit(0);

}

輸出結果：                             

希望新手能夠將以上代碼自己敲一遍，然後自己運行一遍。

從上邊的結果我們一步步分析。首先我們看到兩行文字是隻輸出一遍的。

既”a write to stdout”

         “Befork forkwhit h換行符”。

也就是隻有一個進程執行這兩個輸出語句。我們先暫且不分析不帶換行符的。

當程序調用fork的時候，這個時候程序就出現了一個進程，也就是兩個進程在執行。

請看下邊的簡易圖形

在上邊我們已經講過fork函數會因爲不同調用返回不同的函數值：

1）在父進程中，fork返回新創建子進程的進程ID；

2）在子進程中，fork返回0；

3）如果出現錯誤，fork返回一個負值；

現在我們看程序裏的幾個函數。Write函數是將buf內容寫到標準流中。此處只作爲輸出用。

我們關心的是getpid()函數和getppid()函數。

getpid()函數是用來輸出當前成進程的ID，getppid()則得到當前進程的父進程的ID,從輸出結果比對可以看到，子進程得到的父ID和父進程得到自己的ID是相同的。

再來看一下全局變量glob，glob是函數外的變量。子進程將glob++處理，這個時候輸出的是7，父進程沒有進行處理直接輸出6。我們可以知道，這兩個glob變量顯示是兩份的。不相干的。

局部變量var也是同樣的結果。。。。

現在我們來解釋一下爲什麼

printf("before fork with  換行符\n");

printf("before fork without換行符");

上一句只輸出了一次，而下邊這句話就輸出了兩次。

我們可以發現printf("before fork with  換行符\n");這句帶有\n既換行符的意思。而

printf("before fork without換行符");

是沒有帶的。

這個我們要知道printf函數是有緩衝機制的，類似於我們使用的write函數，但我們將想要的東西輸出的時候，系統僅僅是把內容放到stdout標準輸出的緩衝隊列的。當遇到“\n”的時候，系統就把緩衝裏的東西給清掉，輸出到屏幕上。

        

printf("beforefork with  換行符\n");

執行後，緩衝裏沒有了數據，自然子進程再次執行的時候沒有內容可輸出了。但是printf("before fork without換行符");的時候，子進程也會把stdout的內容再次輸出來。也就是導致了內容出處了兩邊。如果換一下書序的，結果是不一樣的哦。

3 fork難度進階

csdn看到一篇比較好的講解fork的文章。較爲深入的講解。下面我就經過自己的調試和理解將呈現給大家。首先看一段代碼：

#include "apue.h"



int main(void)

{

       int i=0;

       pid_t pid;



       for(i=0;i<2;i++)

       {

                if((pid=fork())<0){

                        printf("forkerror\n");

                }else if(pid==0){

                       printf("%d,childself's pid=%d,parent's pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);

               }else{

                       printf("%d,parentself's pid=%d,parent's father's pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);

                        sleep(2);//inorder tochild output first

                }

       }

       exit(0);

}

輸出的結果爲：

好好的分析一下我們的結果。0開始的輸出爲2行，1開頭的輸出4行。

然後我們開始觀察PID的結果。從pid的結果我們找到一個關係

既9278-》30361-》30362-》30363

9278-》30361-》30364

要知道，fork函數子進程調用的時候返回0，而父進程調用的時候則返回子進程的ID。

程序運行第一步：

if((pid=fork())<0){

                        printf("forkerror\n");

                }else if(pid==0){

                       printf("%d,childself's pid=%d,parent's pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);

                }else{

                       printf("%d,parentself's pid=%d,parent's father's pid=%d,returnid=%d\n",i,getpid(),getppid(),pid);

                        sleep(2);//inorder tochild output first

                }

輸出的結果爲：

這是第一次循環輸出輸出的。

Childpid和return 均爲父ID爲30361生成的30361。

此時已經有了兩個進程了。

進程ID分別爲30362和30361。

第二次循環輸出。

我們知道了此時兩個進程30362和30361。這兩個進程分別執行自己的代碼。

ü  這個時候pid爲30362的進程進行一次：

循環，得到結果爲：

    
生成了一個子進程30363

ü  30361進程再次執行自己的代碼，也就是上述循環的部分。

生成了一個子進程30364.

從程序和輸出結果可以看到，其實我們的程序得到了6份的拷貝。

通過這個例子，fork了三次，產生了三個子進程，輸出了6次，你可以深刻的理解了fork工作原理了。

再來一個例子：

這個是典型的循環例子：

#include <unistd.h>

#include<stdio.h>



int main(void)

{

       pid_t pid;

       int i=0;

       int c_cout=0;

       int p_cout=0;

       for(i=0;i<5;i++)

       {

                if((pid=fork())<0){

                        printf("forkerror\n");

                }else if(pid==0){

                        c_cout++;

               }else{

                        p_cout++;

                }



       }

       printf("c_cout=%d,p_cout=%d,pid=%d\n",c_cout,p_cout,getpid());



}

輸出結果爲：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

通過推理：引用網絡文章可得到：

設f(n)表示程序中循環會執行n次時整個程序會產生的進程數，很容易得到遞推公式：

f(n)=1+f(n-1)+f(n-2)+f(n-3)+…+f(0)

比如for i=0;i<N;I++< p>

因爲i=0時fork()的子進程下次會繼續循環n-1次，i=1時 fork()的子進程下次會僅需循環n-2 次。。。。

其中常數1是進程本身。

邊界條件，f(0)=1

這樣，我們就得到了問題的答案：

f(n)=1+f(n-1)+f(n-2)+…+f(0)

f(0)=1

這個可以求出閉形式：

f(0)=1

f(1)=2

f(2)=4

…

用數學歸納法可以得到f(n)=2^n

所以對於程序一，會打印出2^5-1=31行信息。

對於程序二，總共會產生2^5=32個進程。

不過，我還是不知道爲什麼兩個變量的結果怎麼是那種形式的輸出，求指導啊！！！

下面貼一下比較有意思的一段代碼：

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])

{

fork();

fork() && fork() || fork();

fork();

return 0;

}

我們要知道&& 和||運算符。&&有個短路現象。

A&&B，如果A=0，就沒有必要繼續執行&&B了；A非0，就需要繼續執行&&B。
A||B，如果A非0，就沒有必要繼續執行||B了，A=0，就需要繼續執行||B。

通過畫圖我們可以得到如下

加上前面的fork和最後的fork，總共4*5=20個進程，除去main主進程，就是19個進程了。