前言

在linux系統(tǒng)中，進(jìn)程是操作系統(tǒng)最重要的執(zhí)行單元，而父子進(jìn)程的創(chuàng)建與管理更是系統(tǒng)資源分配和任務(wù)并行的關(guān)鍵。通過fork函數(shù)，linux能夠快速高效地復(fù)制一個(gè)進(jìn)程，使得父子進(jìn)程協(xié)同工作成為可能。理解父子進(jìn)程的運(yùn)行機(jī)制不僅有助于掌握系統(tǒng)編程的核心技能，更能為優(yōu)化資源利用與提高程序性能提供理論基礎(chǔ)。本文將帶你從基礎(chǔ)原理出發(fā)，解析Linux父子進(jìn)程的運(yùn)行特性、fork的核心機(jī)制及其在實(shí)際開發(fā)中的應(yīng)用。

一、進(jìn)程PID

PID 是用來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程的屬性，我們可以使用 ps 指令查看一個(gè)進(jìn)程的部分屬性。進(jìn)程的屬性信息是由操作系統(tǒng)來維護(hù)的，這些信息被存儲(chǔ)在一個(gè) task_struct 結(jié)構(gòu)體中，屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核中的數(shù)據(jù)。由于操作系統(tǒng)本身是不相信用戶的，所以用戶無法直接去訪問 task_struct 對(duì)象中的成員，因此 ps 指令能夠顯示進(jìn)程的屬性信息，本質(zhì)上是通過系統(tǒng)調(diào)用接口去實(shí)現(xiàn)的。

1.1 通過系統(tǒng)調(diào)用接口查看進(jìn)程PID

獲取進(jìn)程的 PID 需要用到系統(tǒng)調(diào)用接口 getpid() ，該函數(shù)會(huì)返回調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程的 PID，返回值類型為 pid_t 。如下圖我們使用 man getpid 指令去查看 getpid 的基礎(chǔ)文檔：

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注意上圖中還有一個(gè) getppid 是什么呢？不難猜到，這應(yīng)該是用來獲取父進(jìn)程 PID 的系統(tǒng)調(diào)用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。 注意上圖中還有一個(gè) getppid 是什么呢？不難猜到，這應(yīng)該是用來獲取父進(jìn)程 PID 的系統(tǒng)調(diào)用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。

代碼語言：JavaScript代碼運(yùn)行次數(shù)：0運(yùn)行復(fù)制

#include <stdio.h>    #include <unistd.h>    #include <sys>    int main()    {        while(1)        {            printf("I am a process, my id is: %d, parent id is: %dn", getpid(), getppid());                                          sleep(1);        }        return 0;    }</sys></unistd.h></stdio.h>

我們可以寫一個(gè)腳本來實(shí)時(shí)獲取上面這段代碼執(zhí)行起來后的進(jìn)程信息。

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可以看到，我一個(gè)將這段代碼執(zhí)行了兩次，每一次的子進(jìn)程 PID 都在發(fā)生變化，但是父進(jìn)程的 PID 從未更改。

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們?cè)偈褂?ps 指令對(duì)比以下獲取到的進(jìn)程 PID 是否真的一樣。

代碼語言：javascript代碼運(yùn)行次數(shù)：0運(yùn)行復(fù)制

while :; do ps axj | head -1 ; ps axj |grep process | grep -v grep ;  sleep 1 ; done

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結(jié)論：我們用 getpid 和 getppid 得到的父子進(jìn)程的 PID 和 ps 指令獲取到的進(jìn)程 PID 是一樣的

二、通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程-fork初識(shí)

之前我們自己創(chuàng)建進(jìn)程都是通過寫一份源代碼，然后去編譯運(yùn)行，最終得到一個(gè)進(jìn)程，今天給大家介紹另一種通過系統(tǒng)調(diào)用接口 fork 去創(chuàng)建進(jìn)程的方式。一樣的，我們使用 man fork 去查看一下 fork 的相關(guān)文檔：

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大致意思就是：fork 函數(shù)會(huì)以調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程作為父進(jìn)程去創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程.

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創(chuàng)建成功時(shí)，會(huì)在父進(jìn)程中返回子進(jìn)程的 PID ，在子進(jìn)程中返回 0 。否則就在父進(jìn)程中返回 -1 ，子進(jìn)程創(chuàng)建失敗。

2.1 調(diào)用fork函數(shù)后的現(xiàn)象代碼語言：javascript代碼運(yùn)行次數(shù)：0運(yùn)行復(fù)制

#include <stdio.h>      #include <unistd.h>      #include <sys> int main()                                                           {        printf("before:only one linen");        fork();        printf("after:only one linen");            return 0;    }</sys></unistd.h></stdio.h>

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如上圖所示，fork 后面的代碼執(zhí)行了兩次！這是什么原因呢？我們?cè)賹懸欢未a跑跑。

代碼語言：javascript代碼運(yùn)行次數(shù)：0運(yùn)行復(fù)制

#include <stdio.h>      #include <unistd.h>      #include <sys> int main()    {        printf("begin:我是一個(gè)進(jìn)程，pid：%d, ppid：%dn",getpid(), getppid());            pid_t id = fork();        if(id &gt; 0)        {            while(1)            {                printf("我是父進(jìn)程,pid：%d,ppid：%dn",getpid(),getppid());                sleep(1);            }        }        else if(id == 0)        {            while(1)            {                printf("我是子進(jìn)程,pid：%d,ppid：%dn",getpid(),getppid());                sleep(1);            }        }        else        {            perror("子進(jìn)程創(chuàng)建失敗！n");        }         return 0;    }</sys></unistd.h></stdio.h>

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通過結(jié)果我們可以得出，在上面的一份代碼中 id 大于0和 id 等于0同時(shí)存在， if 和 else if 同時(shí)滿足，并且有兩個(gè)死循環(huán)在同時(shí)跑。這個(gè)現(xiàn)象說明此時(shí)一定存在兩個(gè)進(jìn)程，即原來的 myprocess 進(jìn)程和在 myprocess 進(jìn)程中創(chuàng)建的子進(jìn)程，因?yàn)樵谝粋€(gè)進(jìn)程中 if 和 else if 是不可能同時(shí)滿足的。這也符合 fork 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程的目的，fork 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程后，會(huì)從原來的一個(gè)執(zhí)行流變成兩個(gè)執(zhí)行流。

2.2 為什么fork要給子進(jìn)程返回0，給父進(jìn)程返回子進(jìn)程 pid？1. fork 返回值的設(shè)計(jì)目的

fork 是 unix 系統(tǒng)中用于創(chuàng)建新進(jìn)程的核心系統(tǒng)調(diào)用。調(diào)用一次 fork，系統(tǒng)會(huì)“分裂”出兩個(gè)進(jìn)程：父進(jìn)程和子進(jìn)程。它的返回值有以下特點(diǎn)：

在父進(jìn)程中：fork 返回新創(chuàng)建的子進(jìn)程的 PID，使得父進(jìn)程可以通過該 PID 來管理和操作子進(jìn)程（如使用 wait 或 kill 等操作）。在子進(jìn)程中：fork 返回 0，標(biāo)識(shí)自己是子進(jìn)程，無需再通過 PID 區(qū)分。

這種設(shè)計(jì)的核心目的正如您提到的，用于區(qū)分不同執(zhí)行流，即便父子共享同一套代碼，也可以根據(jù)返回值選擇性地執(zhí)行不同代碼。

2. 現(xiàn)實(shí)類比的深入解讀父親喊“兒子”：如果不區(qū)分，所有子進(jìn)程都會(huì)響應(yīng)，導(dǎo)致混亂。通過分配唯一的 PID，每個(gè)子進(jìn)程可以被單獨(dú)識(shí)別。子進(jìn)程喊“爸爸”：由于每個(gè)子進(jìn)程只能有一個(gè)父進(jìn)程，所以子進(jìn)程通過調(diào)用 getppid() 即可找到其唯一的父進(jìn)程。3. 為什么子進(jìn)程返回值為 0簡單區(qū)分：子進(jìn)程無需知道自己的 PID 來執(zhí)行自己的任務(wù)，而只需通過返回值 0 知道自己是子進(jìn)程。效率和邏輯一致性：如果子進(jìn)程也返回自己的 PID，會(huì)引入額外的復(fù)雜性，而且父進(jìn)程需要一個(gè)單獨(dú)機(jī)制區(qū)分這些值。2.3 一個(gè)函數(shù)是如何做到返回兩次的？如何理解？

在調(diào)用 fork 函數(shù)之前就只有一個(gè)進(jìn)程，我們先來回顧一下什么是進(jìn)程？進(jìn)程 = 內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) + 代碼和數(shù)據(jù)，其中的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是進(jìn)程對(duì)應(yīng)的 PCB 對(duì)象。

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進(jìn)程的 PCB 對(duì)象會(huì)找到相應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)，然后 CPU 就要去調(diào)度這個(gè)進(jìn)程，也就是找到該進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)去執(zhí)行。調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，本質(zhì)上是操作系統(tǒng)多了一個(gè)進(jìn)程，因此 fork 函數(shù)創(chuàng)建出來的子進(jìn)程，它要先創(chuàng)建自己的 PCB 對(duì)象，子進(jìn)程的 PCB 對(duì)象大部分都是以父進(jìn)程的 PCB 對(duì)象為模板創(chuàng)建的，即從父進(jìn)程的 PCB 對(duì)象中拷貝過來，再對(duì)部分屬性稍作修改，子進(jìn)程的 PCB 對(duì)象就有了。但是它沒有自己的代碼和數(shù)據(jù)，所以只能用父進(jìn)程的，所以 fork 函數(shù)之后，父子進(jìn)程的代碼共享，這就解釋了為什么上面 fork 函數(shù)之后的代碼輸出了兩次，其實(shí)就是父子進(jìn)程各自執(zhí)行了一次。

創(chuàng)建子進(jìn)程的目的就是為了幫助父進(jìn)程做不同的事情，但是父子進(jìn)程共享一份代碼，所以我們應(yīng)該在代碼中對(duì)它們加以區(qū)分。fork 函數(shù)就幫我們完成了這個(gè)需求，它會(huì)在父子進(jìn)程中返回不同的值，用戶只需要根據(jù)返回值的不同讓父子進(jìn)程執(zhí)行不同的代碼。 fork 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程：

創(chuàng)建子進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程的PCB填充PCB對(duì)應(yīng)的內(nèi)容讓子進(jìn)程和父進(jìn)程指向同樣的代碼此時(shí)父子進(jìn)程都有獨(dú)立的task_struct對(duì)象，可以被CPU調(diào)度運(yùn)行了return ret;

由于父子進(jìn)程會(huì)共享一份代碼，所以在 fork 函數(shù)執(zhí)行 return 語句之前，子進(jìn)程的 PCB 對(duì)象就已經(jīng)被創(chuàng)建出來了，CPU 已經(jīng)可以去同時(shí)調(diào)度父子進(jìn)程。由于 fork 函數(shù)中的 return 語句也是被共享的，所以 fork 函數(shù)有兩個(gè)返回值。

2.4 一個(gè)變量怎么會(huì)有不同的內(nèi)容？1. fork 的返回值如何寫入不同的變量空間

當(dāng)調(diào)用 fork 時(shí)，父進(jìn)程與子進(jìn)程會(huì)各自接收一個(gè)返回值，并且寫入同名變量 id。但這并不意味著他們共享同一塊內(nèi)存，而是因?yàn)椋?/p>

獨(dú)立的進(jìn)程地址空間 每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的虛擬地址空間。在 fork 之后，父進(jìn)程與子進(jìn)程的地址空間是彼此獨(dú)立的。盡管子進(jìn)程初始時(shí)看起來與父進(jìn)程完全相同，但實(shí)際上它們的數(shù)據(jù)是分離的。寫時(shí)拷貝（COW）機(jī)制 操作系統(tǒng)為提高效率并節(jié)省資源，采用了寫時(shí)拷貝技術(shù)。在 fork 之后： 父子進(jìn)程共享同一份內(nèi)存數(shù)據(jù)，直到有一方嘗試修改這些數(shù)據(jù)。當(dāng)某個(gè)進(jìn)程試圖修改數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)為該進(jìn)程分配新的物理內(nèi)存空間，并將被修改的數(shù)據(jù)復(fù)制到新分配的空間中。2. fork 中變量 id 的本質(zhì)

在代碼中，變量 id 是存儲(chǔ) fork 返回值的地方。以下幾點(diǎn)解釋了為什么同名變量可以存儲(chǔ)不同的值：

父子獨(dú)立運(yùn)行 fork 返回后，父子進(jìn)程的執(zhí)行路徑分開。父進(jìn)程的 id 變量存儲(chǔ)的是子進(jìn)程的 PID，而子進(jìn)程的 id 變量存儲(chǔ)的是 0。不同的內(nèi)存空間 由于父子進(jìn)程的地址空間獨(dú)立，id 實(shí)際上存在于兩塊不同的內(nèi)存區(qū)域，即父進(jìn)程的 id 和子進(jìn)程的 id 是完全獨(dú)立的變量。賦值過程 fork 的返回值通過操作系統(tǒng)寫入到父子進(jìn)程各自的 id 變量中： 父進(jìn)程在 return 時(shí)向 id 寫入子進(jìn)程的 PID。子進(jìn)程在 return 時(shí)向 id 寫入 0。

結(jié)語

Linux父子進(jìn)程的運(yùn)行機(jī)制展示了操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高效性與靈活性。從fork的返回值設(shè)計(jì)到寫時(shí)拷貝（COW）的優(yōu)化方案，這一切都體現(xiàn)了Linux在性能與資源利用上的巧妙平衡。通過深入理解父子進(jìn)程的特性，不僅能夠提升系統(tǒng)編程的能力，還能為并發(fā)和并行程序設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論支持。希望本文能為你的學(xué)習(xí)和實(shí)踐帶來啟發(fā)，在Linux系統(tǒng)的探索中邁向更高的層次。

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