Linux進程的基本操作：fork vfork exec

進程創建

進入進程的運行狀態時，需要首先創建一個新的進程。在Linux系統中，提供了幾個關於創建新進程的操作函數，如fork()函數、vfork()函數和exec()函數族等。

1.fork()函數

fork()函數的功能是創建一個新的進程，新進程爲當前進程的子進程，那麼當前的進程就被稱爲父進程。在一個函數中，可以通過fork（）函數的返回值判斷進程是在子進程中還是父進程中。fork（）函數的調用形式爲：

pid_t fork(void);

使用fork()函數需要引用 sys/types.h 和 unistd.h頭文件，該函數的返回值類型爲pid_t，表示一個非負整數。若程序運行在父進程中，函數返回的PID爲子進程的進程號；若運行在子進程中，返回的PID爲0.
如若調用fork()函數創建子進程失敗，那麼就會返回-1，並且提示錯誤信息。錯誤信息有以下兩種形式：
EAGAIN：表示fork()函數沒有足夠的內存用於複製父進程的分頁表和進程結構數據。
ENOMEM：表示fork()函數分配必要的內核數據結構時內存不足。

#include<sys/types.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int main(void)
{
    pid_t pid;
    if((pid = fork()) < 0)
    {
        printf("fork error!\n");
        exit(1);
    }
    else if(pid == 0)
    {
        printf("in the child process!\n");
    }
    else
    {
        printf("in the parrent process!\n");
    }
    exit(0);
}

在實例中，通過fork()函數的返回值確定程序是運行在父進程中還是子進程中。運行結果如下

gcc -g -o fork1 fork1.c
./fork1
in the parrent process!
in the child process!

由程序的結果可以發現fork()函數的一個特點，那就是“調用一次，返回兩次”，這樣的特點是如何實現的呢？通過下圖可以分析其原因。

從上圖可以看出，在一個程序中，調用到fork()函數後，就出現了分叉。在子進程中，fork()函數返回0；在父進程中，fork()函數返回子進程的ID。因此，fork()函數返回值後，開發人員可以根據返回值的不同，對父進程和子進程執行不同的代碼，這樣就使得fork()函數具有“調用一次，返回兩次”的特點。但是，父進程與子進程的返回順序並不是固定的，由於fork()函數是系統調用函數，因此取決於系統中其他進程的運行情況和內核的調度算法。

2.vfork()函數

vfork()函數與fork()函數相同，都是系統調用函數，兩者的區別是在創建子進程時fork()函數會複製所有父進程的資源，包括進程環境、內存資源等，而vfork()函數在創建子進程時不會複製父進程的所有資源，父子進程共享地址空間。這樣，在子進程中對虛擬內存空間中變量的修改，實際上是在修改父進程虛擬內存空間中的值。

#include<sys/types.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int gvar = 2;
int main(void)
{
    pid_t pid;
    int var = 5;
    printf("process id:%ld\n",(long)getpid());
    printf("gvar = %d var = %d\n",gvar,var);
    if((pid = vfork()) < 0)
    {
        printf("error!\n");
        return 1;
    }
    else if(pid == 0)
    {
        gvar--;
        var++;
        printf("the child process id:%ld\ngvar = %d var = %d\n",(long)getpid(),gvar,var);
        _exit(0);
    }
    else
    {
        printf("the parrent process id:%ld\ngvar = %d var = %d\n",(long)getpid(),gvar,var);
        return 0;
    }
}

運行結果如下

gcc -g -o vfork2 vfork2.c
./vfork2
process id:10239
gvar = 2 var = 5
the child process id:10240
gvar = 1 var = 6
the parrent process id:10239
gvar = 1 var = 6

3.exec()函數族

通過調用fork()函數和vfork()函數創建子進程，子進程和父進程執行的代碼是相同的。但是，通常創建了一個新進程也就是子進程後，目的時要執行與父進程不同的操作，實現不同的功能。因此，Linux系統提供了一個exec()函數族，用於創建和修改子進程。調用exec()函數時，子進程中的代碼段、數據段和堆棧段都將被替換。由於調用exec()函數並沒有創建新進程，因此修改後的子進程的ID並沒有改變。
exec()函數族由6種以exec開頭的函數組成，定義形式分別如下：

int execl(const char* path,const char* arg,...);
int execlp(const char* file,const char* arg,...);
int execle(const char* path,const char* arg,...,char* const envp[]);
int execv(const char* path,const char* argv[]);
int execve(const char* path,const char* argv[],char* const envp[]);
int execvp(const char* file,const char* argv[]);

這些函數都定義在系統函數庫中，在使用前需要引用頭文件sys/types.h 和 unistd.h，並且必須在預定義時定義一個外部的全局變量，例如

extern char** environ;

上面定義的變量是一個指向Linux系統全局變量的指針。定義了這個變量後，就可以在當前工作目錄中執行系統程序，如同在shell中不輸入路徑直接運行vim和Emacs等程序一樣。
exec()函數族中的函數都實現了對子進程中的數據段、代碼段和堆棧段進行替換的功能，如果調用成功，則加載新的程序，沒有返回值。如果調用出錯，則返回值爲-1。

/*******execve.c文件**********/
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
extern char** environ;
int main(int argc,char* argv[])
{
    execve("new",argv,environ);
    puts("this information will not be output in normal situation!");
}
/*************new2.c文件*************/
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    puts("welcome to linux!");
    return 0;
}

運行結果如下：

gcc -o execve execve.c
gcc -o new new2.c
./execve
welcome to linux!

在這個運行結果中，只輸出了“welcome to linux!”，說明在execve.c這個程序中執行了new2.c這個程序中的代碼，那麼execve.c程序中的“this information will not be output in normal situation!”這句話爲什麼沒有正常輸出呢？原因就是調用了execve()函數，調用了這個函數後，將進程中的代碼段、數據段和堆棧段都進行了修改，使得這個新創建的子進程只執行了新加載的這個程序的代碼，此時父進程與子進程的代碼不再有任何關係。執行了execve()函數後，原來存在的代碼都被釋放了，即execve.c這個文件中的puts(“this information will not be output in normal situation!”)代碼得不到執行，因此無法輸出此信息。