Linux fork函数详解

1 基本介绍

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

pid_t fork(void)

• 描述

  fork用于创建一个子进程，它与父进程的唯一区别在于其PID和PPID，以及资源利用设置为0。文件锁和挂起信号（指已经被内核发送给一个进程，但尚未被该进程处理的信号）不会被继承，其他和父进程几乎完全相同：会获得父进程的内存空间、栈、数据段、堆、打开的文件描述符、信号处理函数、进程优先级、环境变量等资源的副本。

• 返回值

  成功时，在父进程中返回子进程的 PID，在子进程中返回 $0$。失败时，父进程返回 $-1$，不创建子进程，并适当设置 errno。

  其中errno是一个全局变量，它用于表示最近一次系统调用或库函数调用产生的错误代码。当系统调用或库函数失败时，它们通常会设置 errno 以指示错误的原因。

  以下是一些常见的 errno 错误代码及其含义：

  • EAGAIN：资源暂时不可用，通常是因为达到了系统限制，如文件描述符或内存限制。
  • ENOMEM：内存不足，无法分配请求的资源。
  • EACCES：权限不足，无法访问某个资源。
  • EINTR：系统调用被信号中断。
  • EINVAL：无效的参数。

• 重点

  fork() 函数创建的子进程会从父进程复制执行顺序。具体来说，子进程会从父进程复制当前的执行上下文，包括指令指针（instruction pointer）和寄存器的状态。这意味着子进程将从 fork() 系统调用之后的指令开始执行，与父进程在 fork() 之后应该执行的指令完全相同。因此，fork() 之后通常会有一个基于返回值的分支结构，以区分父进程和子进程的执行路径。

2 fork实例

2.1 多个fork返回值

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid1 = fork();
    pid_t pid2 = fork();
    pid_t pid3 = fork();
    pid_t pid  = getpid();
    printf("The PID of the current process is %d\n Hello World from (%d, %d, %d)\n", pid, pid1, pid2, pid3);
    return 0;
}

这段程序包含了三个 fork() 调用，每个 fork() 都会创建一个新的子进程。由于每次 fork() 调用都会导致进程数翻倍，所以总共会有$2^3=8$个进程 （包括最初的父进程）。每个进程都会打印出它的进程 ID (pid) 以及三个 fork() 调用的返回值 (pid1, pid2, pid3)。

得到的输出结果如下：

我们画个状态机来理解它们的输出，假设最初的父进程PID为291871：

2.2 C语言 fork与输出

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

int main(int argc, char *argv[]) {
  int n = 2;
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    fork();
    printf("Hello\n");
  }
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    wait(NULL);
  }
}

这段代码中，按我们的理解，第一次fork后有2个进程，然后一起执行printf输出，得到两个Hello，然后第二次fork后有4个进程，然后执行printf，得到四个Hello，则会有6个``Hello`，如下：

但是当我们将输出通过管道传给cat等命令时，会看到8个Hello：

这是因为标准输出一般是行缓冲的，碰到\n，缓冲区中的内容会被刷新，即输出到终端或文件中。这种缓冲方式的目的是为了提高效率，因为这样可以减少对磁盘 I/O 的调用次数。

如果标准输出被重定向到管道，它可能不再是行缓冲的，而是变为全缓冲的。这意味着缓冲区可能会在填满时刷新，而不是在每次遇到换行符时刷新。如果缓冲区足够大，以至于可以容纳所有的 Hello 输出，那么fork的时候子进程也会复制缓冲区，导致最后每个进程中的缓冲区都有2个Hello，最后输出为8个。

如果为了确保缓冲区在需要的时候被刷新，可以在 printf 调用之后显式地调用 fflush(stdout) 来刷新标准输出缓冲区。这样可以确保所有的输出都被立即写入，而不会受到缓冲行为的影响。

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

int main(int argc, char *argv[]) {
  int n = 2;
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    fork();
    printf("Hello\n");
    fflush(stdout);
  }
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    wait(NULL);
  }
  return 0;
}

2.3 fork 💣

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

int main(int argc, char *argv[]) {
  while(1) {
      fork();
  }
  return 0;
}

这段代码会无限循环地调用 fork() 函数，每次循环都会创建一个新进程。由于每次 fork() 调用都会成功创建一个新进程，而且这个新进程又会立即进入下一次循环并再次调用 fork()，因此进程的数量会以指数速度增长，很快就会耗尽系统的可用资源。

绝对不要在任何生产环境或您没有权限的任何系统上运行fork炸弹。