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目录
一、fork函数的基本概念
pid_t的关键特性
fork的基本特性
二、fork的基本使用
1、简单示例
运行结果
关键点
注意事项
2、进一步探讨
运行结果说明
关键机制解析
实际应用提示
三、写时复制(Copy-On-Write)技术示例
执行流程分析：
关键点：
三、fork的工作原理
四、关键问题解释
五、实际应用示例
区分父子进程的标准方法
六、注意事项
一、fork函数的基本概念
fork()是Unix/Linux系统中用于创建新进程的系统调用函数。当调用fork()时，操作系统会创建一个与父进程几乎完全相同的子进程。
pid_t 是 进程 ID 的数据类型，在 Unix/Linux 系统编程中用于表示进程标识符（Process ID）。
pid_t的关键特性
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定义位置
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通常在
<sys/types.h>或<unistd.h>头文件中定义。 -
实际类型可能是
int或long（取决于系统）。
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用途
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存储进程 ID（
getpid()、getppid()返回值）。 -
fork()的返回值（父进程返回子进程 PID，子进程返回 0）。 -
用于进程控制函数（如
waitpid()、kill()）。
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fork的基本特性
-
两个返回值：
成功时：
在父进程中返回子进程的PID（进程标识符）、在子进程中返回0
失败时：
在父进程中返回-1、不会创建子进程、同时会设置相应的errno（错误码）
（注：errno是Linux系统记录错误状态的全局变量，可通过perror()或strerror()函数获取具体错误信息）
-
刚开始父进程与子进程的代码与数据都是同一份，因为子进程是由父进程创建的，而且子进程没有自己的代码和数据，同时目前也没有其他程序加载到内存中。
-
代码共享，数据独立的阶段
发生在其中任意一个进程想要对数据修改的时候，此时数据段、堆栈等采用"写时复制"(Copy-On-Write)技术，各自拥有独立空间，但父子进程共享相同的代码段。
二、fork的基本使用
1、简单示例
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{fork(); // 创建子进程while(1){printf("I am a process...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}return 0;
}运行结果
程序运行后会输出两行交替出现的信息：
关键点
-
进程关系：子进程的PPID(父进程ID)就是父进程的PID
-
执行流程：fork()调用后，父进程和子进程都从fork()返回处继续执行
-
PCB创建：操作系统会为每个新进程(包括fork创建的)创建进程控制块(PCB)
总的来说，遇到fork函数时，会进行以下操作：
- 为子进程申请新的PCB
- 子进程拷贝父进程PCB
- 将子进程加入到进程列表
- 然后再将子进程放入调度队列
注意事项
-
父子进程执行顺序不确定，取决于系统调度
-
父子进程共享代码段，但有各自独立的数据空间
-
fork()在父进程中返回子进程PID，在子进程中返回0
2、进一步探讨
我们知道加载到内存当中的代码和数据是属于父进程的，那么fork函数创建的子进程的代码和数据又从何而来呢？
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{printf("I am running...\n"); // 只有父进程执行fork(); // 创建子进程的分界点while(1) // 父子进程都从这里开始执行{printf("I am a process...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}return 0;
}运行结果说明
关键机制解析
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代码共享机制：
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fork()之前的代码只由父进程执行
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fork()之后的代码由父子进程共同执行
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父子进程共享相同的代码段（text segment）
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数据管理机制：
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采用写时拷贝(Copy-On-Write)技术
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初始时父子进程共享相同的数据空间
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当任一进程尝试修改数据时，操作系统才会为该进程创建数据的独立副本
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进程调度特性：
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父子进程被调度的顺序不确定
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执行顺序取决于操作系统的调度算法
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可能先执行父进程，也可能先执行子进程
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实际应用提示
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fork()前执行的代码不会被子进程重复执行（如示例中的第一个printf）
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fork()后父子进程可以通过返回值区分（父进程得到子进程PID，子进程得到0）
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合理利用写时拷贝机制可以提高fork效率，减少不必要的内存复制
三、写时复制(Copy-On-Write)技术示例
一个典型的写时复制(COW)场景发生在fork()系统调用创建子进程时：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {int data = 42; // 数据段变量pid_t pid = fork(); // 创建子进程if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process - initial data: %d\n", data);data = 100; // 修改数据printf("Child process - modified data: %d\n", data);} else if (pid > 0) {// 父进程sleep(1); // 确保子进程先执行修改printf("Parent process - data remains: %d\n", data);} else {// fork失败perror("fork");return 1;}return 0;
}执行流程分析：
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fork()调用前：只有一个进程，data变量值为42
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fork()调用后：
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创建子进程，此时父子进程共享相同的代码段
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数据段、堆栈等内存区域也暂时共享(标记为COW)
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两个进程的页表都指向相同的物理内存页
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子进程修改data时：
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操作系统检测到写操作发生在COW页面
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内核为该页面创建副本，更新子进程的页表指向新副本
-
子进程修改自己的副本(data=100)，父进程的data保持不变
-
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输出结果：
关键点：
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写时复制延迟了实际的内存复制，直到真正需要时才进行
-
父子进程共享相同的代码段(只读，无需复制)
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未修改的数据段/堆栈保持共享，节省内存
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修改操作触发页面错误，导致内核执行实际的复制
三、fork的工作原理
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进程创建：
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调用fork()后，操作系统创建子进程
-
子进程获得父进程的代码段、数据段、堆栈等副本
-
操作系统为子进程创建新的PCB(进程控制块)
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写时复制：
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初始时父子进程共享物理内存
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当任一进程尝试修改内存时，操作系统才会真正复制该内存页
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执行流程：
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fork()之前的代码只由父进程执行
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fork()之后的代码默认父子进程都会执行
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四、关键问题解释
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为什么fork有两个返回值？
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fork()在父进程和子进程中各返回一次
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父进程得到子进程PID，子进程得到0
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返回值如何分配？
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父进程：返回子进程的PID（>0）
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子进程：返回0
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错误：返回-1（仅在父进程中）
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if和else if如何同时成立？
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实际上不是同时成立，而是分别在两个不同的进程中执行
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父进程执行else if(ret > 0)分支
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子进程执行if(ret == 0)分支
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五、实际应用示例
如前所述，fork函数创建的子进程会与父进程共享代码段。但如果父子进程执行完全相同的操作，创建子进程就失去了实际意义。
通常在实际应用中，我们会通过判断fork的返回值来区分父子进程的执行路径：
fork函数的返回值有以下几种情况：
- 成功创建子进程时：
- 父进程获得子进程的PID
- 子进程获得返回值0
- 创建失败时，父进程获得返回值-1
区分父子进程的标准方法
通过检查fork()的返回值来区分父子进程：
pid_t id = fork();if(id == 0) {// 子进程执行的代码
}
else if(id > 0) {// 父进程执行的代码
}
else {// fork失败处理
}正是由于父子进程获取的返回值不同，我们可以据此编写不同的执行逻辑。例如：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{printf("I am running...\n");pid_t id = fork();if(id == 0){ //childwhile(1){printf("I am child process...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}else if(id > 0){ //parentwhile(1){printf("I am parent process...PID:%d\n", getpid());sleep(1);}}else { //fork errorperror("fork failed");return 1;}return 0;
}fork创建出子进程后，子进程会进入到 if 语句的循环打印当中，而父进程会进入到 else if 语句的循环打印当中。
六、注意事项
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调度顺序：父子进程的执行顺序由操作系统调度决定，是不确定的
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资源管理：
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子进程会继承父进程打开的文件描述符
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需要适当处理文件描述符和避免僵尸进程
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并发控制：需要同步机制来协调父子进程的执行顺序（如管道、信号量等）
理解fork()的工作原理对于Unix/Linux系统编程至关重要，它是实现多进程应用程序的基础。