Linux系统编程——fork函数的使用方法

在 Linux 系统编程 中，fork() 函数是创建新进程的关键系统调用。fork() 在当前进程（父进程）中创建一个几乎完全相同的子进程。子进程和父进程从调用 fork() 的位置继续执行，但它们是两个独立的进程，每个进程都有自己的进程标识符（PID）和资源。

以下是 fork() 函数的详细使用方法和注意事项。

1. `fork()` 函数简介

函数原型：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

返回值：
- 如果 fork() 调用成功，父进程 返回子进程的 PID（正整数），子进程 返回 0。
- 如果调用失败，返回 -1，错误信息可以通过 errno 获取。
PID（进程标识符）：
- 父进程可以通过返回值得到子进程的 PID。
- 子进程的 PID 是由操作系统自动分配的。
子进程的资源：
- 子进程从父进程复制了几乎所有的资源，包括内存、文件描述符、环境变量等。
- 子进程有自己的地址空间，与父进程独立运行。

2. `fork()` 的工作原理

fork() 系统调用会创建一个与父进程几乎相同的子进程。子进程有自己独立的进程 ID（PID），并从 fork() 函数返回。父进程和子进程都从 fork() 之后的位置开始执行。父子进程的 代码、数据、堆、栈 等内容是相同的，但它们有各自的内存空间。

父进程：fork() 返回子进程的 PID。
子进程：fork() 返回 0。

3. 简单示例

下面是一个简单的 fork() 示例，展示了父子进程的不同返回值。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();  // 创建一个子进程if (pid < 0) {// 错误处理，fork() 失败perror("fork failed");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程执行的部分printf("This is the child process, PID = %d\n", getpid());} else {// 父进程执行的部分printf("This is the parent process, PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);}return 0;
}

说明：

fork() 被调用后，父进程和子进程都从同一位置开始执行。
父进程：pid 存储子进程的 PID，因此父进程会打印 "This is the parent process" 以及子进程的 PID。
子进程：pid 为 0，因此子进程会打印 "This is the child process"。

输出示例：

This is the parent process, PID = 1234, Child PID = 1235
This is the child process, PID = 1235

4. `fork()` 的使用场景

fork() 函数常用于以下几种场景：

创建子进程：在多进程系统中，通过 fork() 创建子进程来执行并发任务。
执行子程序：父进程创建子进程后，子进程可以通过 exec() 函数系列来执行不同的程序。例如，父进程创建子进程后，子进程可以执行 ls、cat 等命令。
后台任务：父进程创建子进程后，可以让子进程在后台执行某些任务，父进程继续执行其他任务。

5.fork()创建子进程执行并发任务

我们可以使用fork模拟服务器不断等待用户输入，并且每次得到正确的输入都与之进行交互的场景。

示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid;int data;while(1){printf("input your data:\n");scanf("%d",&data);if(data == 1){pid = fork();if(pid == 0){while(1){printf("do net request...pid = %d\n",getpid());sleep(3);}}else{}}else{printf("do nothing\n");}}return 0;
}

编译执行后：

input your data:
4
do nothing
input your data:
1
input your data:
do net request...pid = 101459
do net request...pid = 101459
4
do nothing
input your data:
do net request...pid = 101459
do net request...pid = 101459
1
input your data:
do net request...pid = 101460
do net request...pid = 101459
do net request...pid = 101460
1
input your data:
do net request...pid = 101461
do net request...pid = 101459
do net request...pid = 101460
do net request...pid = 101461
do net request...pid = 101459
do net request...pid = 101460
do net request...pid = 101461

从输出可以看到，当系统得到的输入为1时，就会创建一个子进程，子进程会不断地打印“do net request...”并打印出来子进程的PID。子进程不断执行的同时，也不会影响我们重新再对系统进行输入，当得到的输入为1时，就会再次创建一个子进程。

6. `fork()` 的注意事项

1. 父子进程共享文件描述符

fork() 创建的子进程会继承父进程的所有文件描述符，但文件描述符指向的文件句柄会被子进程和父进程共享。因此，父子进程可以共享文件，但在文件内容修改时要注意同步。

2. 父子进程的资源独立

尽管父子进程最初几乎相同，但它们是独立的。对某一进程的资源（如内存）做出的修改不会影响到另一个进程。

3. 进程的 PID

父进程：fork() 返回子进程的 PID。
子进程：fork() 返回 0，子进程的 PID 是父进程返回的 PID。

4. `fork()` 调用失败的处理

fork() 调用可能会失败，特别是在系统资源不足时。此时，fork() 会返回 -1，表示创建子进程失败。需要通过 errno 获取错误原因（如 ENOMEM）。

if (pid < 0) {perror("fork failed");exit(1);
}

5. `fork()` 与 `exit()` 配合使用

当父进程或子进程完成任务后，通常会调用 exit() 来终止进程。父进程和子进程的退出不会自动结束另一进程，除非显式调用 exit() 或使用 wait() 等等待机制来同步进程。

7. 进程的父子关系

每个进程都有一个父进程，创建它的进程称为“父进程”。通过 fork()，父进程创建子进程。父进程可以通过 wait() 等函数等待子进程完成，而子进程通过 getppid() 可以获取父进程的 PID。

示例：父进程等待子进程结束

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();  // 创建子进程if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程执行printf("Child process with PID %d\n", getpid());return 0;  // 子进程结束} else {// 父进程等待子进程结束wait(NULL);  // 等待任何子进程结束printf("Parent process with PID %d\n", getpid());}return 0;
}

8. `fork()` 和 `exec()` 配合使用

fork() 通常与 exec() 系列函数一起使用。exec() 用于让子进程执行一个新的程序，而不是继续执行父进程中的代码。

示例：父进程创建子进程并执行新的程序

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程执行新的程序execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);  // 执行 ls -l 命令} else {// 父进程继续执行wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Parent process finished\n");}return 0;
}