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linux多线(进)程编程——（2）身外化身fork()

news 来源：原创 2025/5/18 9:01:05

前言（前情回顾）

你捡到了一个秘籍上面写着《linux操作系统》正式摆脱了练气期，并开启了修炼，突破了第一个瓶颈，你的识海中出现了岔路，应该往哪边走呢？
在这里插入图片描述
听说在迷宫里摸着右边的墙壁是总能走出去的，我们也试一下吧。你将神识触摸了右侧的光球，一些信息进入到了你的脑海，最前面写着两个字：进程。

进程

什么是进程？

官方解释

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

我的解释

小明回家打开了英雄联盟开黑，小刚打开了steam下载小黄油。这两个软件是进程。爱编程的小黄回家用C语言写了一个hello world程序并点击运行，这也是一个进程。总结来说，进程就是一个应用程序。其余那些描述先不要深究以免走火入魔哦。

多进程

现在我们的电脑上运行这不止一个软件，至少我知道你一定打开了浏览器，因为你在看我的文章，此外你还挂着微信，这就是多进程。每个进程都有一个PID，即进程ID用来标识这个进程，类似于之前的文件描述符fd。此外每个进程有一个PCB，不是画电路板那个PCB，他的全程是进程控制块（Process Control Block）。
进程控制块在这里是超纲内容，如果各位0基础根基不稳的道友不想走火入魔，就先别去探究他，忍住你的好奇心，后面我们会介绍它的。

编程中使用多进程技术

我该如何运行两个线程呢？写两个程序，并分别同时运行？有点蠢，而且对于现在的我们，这种方法没有意义。因此我要给大家解释我们这门功法的第一个神通:fork();

神通1身外化身：pid_t fork(void);

这个函数没有参数，只有一个pid_t类型的返回值（其实就是int）。它的作用确实十分强大，他可以让我们的程序进行实现身外化身。如下图所示，父进程在执行到fork()函数调用的位置时，会克隆出一个新的进程。注意我说的词语：克隆，这代表子进程将完全复制父进程的所有变量，缓冲区，堆栈等熟悉。
在这里插入图片描述
多说无益，我们直接上代码，使用fork()克隆出子进程，并且输出hello world

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    printf("hello, world!\n");
    pid_t id = fork();
    printf("hello, world!\n");
    return 0;
}

请问大家下面这个代码应该输出什么，我们实际验证一下。
在这里插入图片描述
使用gcc编译（前置知识，与主线无关），大家就当没看见这个经过即可，之后运行我们的可执行文件，可以看到输出了3个hello, world!。相信不少同学都在脑海中直接推断出了这个结论。

fork()的克隆

为了让大家深刻理解克隆这个词的意义，我为大家提供了下面的案例。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    printf("hello, world! ");
    pid_t id = fork();
    printf("hello, world!\n");
    return 0;
}

在这个代码中我将第一个hello world后面的换行符给去掉换成了空格，现在这个程序应该输出什么呢？
在这里插入图片描述
可以发现输出了4个hello world，原因大家应该知道了，就是因为没有换行符导致的，但是真正的底层原因是什么呢？
这个问题涉及到printf()函数的底层机制。printf函数管理一个数据缓冲区，要输出打印的数据不会直接显示到屏幕上，而是会存在缓冲区中，等待缓冲区满了一起输出。而当缓冲区没满如何让它提前输出呢，就是加入一个换行符，当printf检测到换行符，就会将缓冲区内所有的数据打印出来。因此当我将第一个hello world后面的\n去掉后，第一个hello world会在缓冲区中，并且缓冲区会由于fork()的调用被克隆。因此当我第二次输出hello world时，两个进程都识别到了换行符，并清空缓冲区，最终输出4个hello world。

父子进程的辨认

经过刚才的学习我们已经知道了fork()会实现进程克隆，那么我们该如何区分进程的身份呢？这个时候就要轮到fork()的返回值出场了。
在fork()函数的执行期间内，系统会克隆出一个新进程，因此到fork()执行完毕，会产生两个返回值。对于父进程中，我们会得到一个大于0的返回值，表示子进程的PID。而在子进程中，返回值为0。（返回值为-1表示进程创建失败了）。为了验证上述理论的正确性，我们编写如下代码，此外我们需要一个新函数getpid()，这个函数能获取当前进程的PID。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    // 在父进程中获取父进程的PID
    // pid_t getpid(void) 获得当前进程的PID
    printf("father's pid is %d!\n", getpid());
    
    pid_t id = fork();
    if(id < 0 ) {
        printf("process create fail\n");
        return 0;
    }

    if(id == 0) {
        printf("I'm son, my pid is %d\n", getpid());	// 使用函数直接获得子进程的PID
    }
    else {
        printf("I'm father, my son's pid is %d\n", id);	// 使用id表示子进程的PID
    }

    return 0;
}