13.Linux中fork函数详解（附图解与代码实现）

我们先来看个代码，判断一下这个代码的输出结果会是什么样的，先不要去看运行结果，判断好后再去看看是否和你的预期结果一致。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
 
int main(void)
{
	pid_t pid;
	pid = fork();
	printf("xxxxxxxxxx\n");
	while (1) 
	{
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

输出：

运行结果：
xxxxxxxxxx
xxxxxxxxxx

是不是和你预想的结果不太一样呢？为什么会是输出两遍呢？这是什么原理呢？

抱着这样的问题，让我们来研究一下fork函数的奥秘吧。

fork函数

功能：创建一个与原来进程几乎完全相同的进程

这也就代表着，父进程可通过调用该函数创建一个子进程，两个进程可以做完全相同的事

返回值：pid_t类型的变量，也就是进程id类型的变量

这里有个非常让人惊讶的地方，fork函数的返回值是2个！！！

想想自己学了那么久的编程，好像没有返回值是两个的函数啊。别慌，接着往下看

我们来对父进程通过fork函数创建子进程的过程做个具体的说明，上图！

​ 在上述这个图中，当调用fork函数时，操作系统会从用户态切换回内核态来进行进程的创建，会调用fork函数中的_CREATE函数和_CLONE函数。

​ 首先调用_CREATE函数，子进程进行虚拟地址申请，在子进程的内核空间中进行不完全拷贝，为什么是不完全拷贝呢？就像父亲和儿子的关系一样，你可以和你爸爸的民族，籍贯所在地一样，但你不能和你爸的年龄，身份证号都一样吧。PCB作为每个进程的唯一标识符，就像每个人的身份证一样，是不可能完全一样的，所以这个地方时不完全拷贝，如pid就需要自己生成。这个地方的子进程是新生态。

​ 之后调用_CLONE函数，向父进程拷贝必要资源，子进程的用户空间进行完全拷贝，子进程继承所有父进程资源，如临时数据堆栈拷贝，代码完全拷贝。

这个时候就有善于思考的同学会发现，并提出以下问题：

诶诶诶，你这父进程创建一个子进程，你这子进程把你的代码完全拷贝走了。

• 那子进程不是把fork函数也拷贝走了吗？

• 那子进程不也可以通过fork函数创建孙线程了吗？

• 那你这不是子又生孙，孙又生子吗？

• 那你这不无限创造进程了吗？

• 那为什么上面的代码的运行结果只有两个输出？

• 考虑的非常好啊，这也是我们下面要讲的问题

讲解完父进程如何通过fork函数创建子进程，接下来我们就要讲解父子进程如何执行fork函数

上图！

其实大体来说，我们可以将fork函数分为三步

1.调用_CREATE函数，也就是进程创建部分
2.调用_CLONE函数，也就是资源拷贝部分
3.进程创建成功，return 0; 失败，return -1:
前2步也就是父进程通过fork函数创建子进程的步骤，在执行完_CLONE函数后，fork函数会有第一次返回，子进程的pid会返回给父进程。

要注意的是，在第3步中，fork函数不是由父进程来执行，而是由子进程来执行，当父进程执行完_CLONE函数后，子进程会执行fork函数的剩余部分，执行最后这个语句，fork函数就会有第二次返回，如果成功就返回0，失败就返回-1。

我们就可以总结得出，父子进程都执行fork函数，但执行不同的代码段，获取不同的返回值。所以fork函数的返回值情况如下：

父进程调用fork，返回子线程pid（>0）

子进程调用fork，子进程返回0，调用失败的话就返回-1

这也就说明了fork函数的返回值是2个

可以通过下面的代码来验证该过程

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
 
int main(void)
{
	//Parent Start
	pid_t pid;
	pid = fork();
	if (pid > 0)
	{
		printf("parent running\n");
		while (1)
		{
			sleep(1);
		}
	}
	else if (pid == 0)
	{
		//Child Start
		printf("Child Running\n");
		while (1)
		{
			sleep(1);
		}
		//Child End
	}
	else
	{
		perror("fork call failed\n");
	}
	while (1)
	{
		sleep(1);
	}
	return 0;
}
//Parent End

输出：

运行结果：
parent running
Child Running

该程序首先包含了四个头文件，这些头文件提供了程序中使用的各种函数和功能。关键函数是fork()，它来自于unistd.h，用于在UNIX和Linux系统上创建新进程。

接下来，我们逐步解析程序的运行流程：

1. 主进程开始：当程序开始执行时，它是在一个称为“主进程”或“父进程”中运行的。
2. 创建子进程：程序使用fork()函数创建一个新进程，这个新进程称为“子进程”。这个子进程是父进程的副本，继承了父进程的数据和代码。
3. 父进程执行：如果fork()调用成功，对于父进程，fork()返回子进程的进程ID，它肯定是一个大于0的值。于是，程序进入if (pid > 0)分支，打印parent running，然后进入一个无限循环，在该循环中，每秒都会休眠一次。
4. 子进程执行：对于子进程，fork()返回0。所以，程序进入else if (pid == 0)分支，打印Child Running，然后进入其自己的无限循环，并每秒休眠一次。
5. fork失败：如果fork()调用失败，它返回-1。在这种情况下，程序进入else分支，并使用perror打印一个错误消息。
6. 程序结束：无论fork()的结果如何，程序都会进入最后的while循环，并开始另一个无限循环。但实际上，由于之前的逻辑（父进程、子进程、或fork失败的错误处理），这个循环是不可达的，也就是说，程序永远不会执行到这里。

总结：

• 父进程会打印parent running并进入一个无限循环。
• 子进程会打印Child Running并进入一个无限循环。
• 如果fork失败，程序会打印一个错误消息。

如果你运行这个程序，你会发现父进程和子进程都在无限循环中运行，且都可以在进程列表中看到（例如，使用ps命令在UNIX/Linux系统上）。

为什么 最后的while (1)不会运行？

在上述代码中，fork()调用后，根据其返回值，程序流会进入其对应的条件分支：父进程、子进程或fork失败。

1. 父进程：对于父进程，fork()返回子进程的PID（一个大于0的值），所以程序会进入if (pid > 0)分支，并在那里遇到一个无限循环（while(1)）。由于这是一个无限循环，程序将永远停留在这里，不会退出该循环。

2. 子进程：对于子进程，fork()返回0。因此，程序会进入else if (pid == 0)分支，同样地，它也会在这里遇到一个无限循环。子进程将永远停留在这个循环中。

3. fork失败：如果fork()失败，它返回-1。程序将进入else分支，并打印一个错误消息。然后，它会到达函数的末尾并退出，而不会执行最后的while(1)循环。

因此，不论程序执行路径如何，它都会在最后的while(1)循环之前进入一个其他的无限循环或者完全结束运行，这就是为什么最后的while(1)循环不会被执行的原因。

另外和大家说一个小知识点

整个Linux操作系统都是由父子进程结构构成
每个进程都有创建者，也就是父进程，但是有一个进程例外，也就是init进程
init进程（0 or 1），init进程是系统启动初始化后的第一个进程

例子：

先创建的PID小，后创建的大。

if...else之外的雨具父子进程都有。

父进程返回值大于0，子进程返回0（创建子进程成功）。父子谁先执行用户无法控制。sleep(1)让父进程后退出（子进程也不见得先执行，概率高一点而已）。

如果父进程先退出，子进程后退出，子进程PID会变化吗？

2815是当前shell，

注释sleep(1)

在Linux系统中，进程号1（PID 1）通常是init进程，或者在现代系统上是systemd进程。这个进程在系统启动时由内核启动，并且是所有其他用户空间进程的祖先。很多进程的父进程，很多进程是被它拉起来的。

./fork是被当前shell拉起来的

第一个fork中，父进程后退出，第二个fork中子进程后退出

子进程被1号进程领养，进程号1（PID 1）通常是init进程

有可能在这阻塞了

敲回车立刻退出，说明没有阻塞。

父进程结束，子进程后结束。子进程还在占用，父进程先回到当前shell

回到shell

PCB里有文件描述符表存放打开的文件的信息，父子文件共享标准输出