重新認識fork()函數在linux系統編程中的應用

初識fork()函數：在Linux中，fork()函數是一個非常重要的系統調用，它用于從一個已存在的進程中創建一個新的進程。新創建的進程被稱為子進程，而原進程則被稱為父進程。

#include <unistd.h> pid_t fork(void); 返回值：子進程中返回0，父進程返回子進程的ID，錯誤時返回-1

當一個進程調用fork()函數時，控制權轉移到內核中的fork代碼。內核執行以下操作：

• 為子進程分配新的內存塊和內核數據結構
• 將父進程的部分數據結構內容復制到子進程
• 將子進程添加到系統進程列表中
• fork()函數返回，調度器開始調度

可以看到，這里的例子創建了一個進程，PID為3109，這就是子進程。

當一個進程調用fork()函數后，會產生兩個具有相同二進制代碼的進程，且它們都運行到相同的點。但每個進程可以開始它們自己的執行路徑，如下面的程序所示。

int main(void) {     pid_t pid;     printf("Before: pid is %dn", getpid());     if ((pid=fork()) == -1)         perror("fork()"),exit(1);     printf("After: pid is %d, fork return %dn", getpid(), pid);     sleep(1);     return 0; }

運行結果：

[root@localhost Linux]# ./a.out Before: pid is 43676 After: pid is 43676, fork return 43677 After: pid is 43677, fork return 0

這里可以看到三行輸出，一行是Before，兩行是After。進程43676先打印Before消息，然后它打印了After。另一個After消息是由進程43677打印的。注意，進程43677沒有打印Before，為什么呢？如下圖所示：

因此，在fork之前，父進程獨立執行；在fork之后，父子兩個執行流分別執行。注意，fork之后，誰先執行完全由調度器決定。

fork()函數的返回值：子進程返回0，父進程返回子進程的PID。

寫時拷貝（copy-on-write, COW）是計算機系統中廣泛應用的一種優化技術，尤其是在操作系統、虛擬化和內存管理領域。其主要目的是節省內存資源和提高效率。

工作原理：寫時拷貝的基本思想是，當多個進程共享相同的資源（例如內存或文件）時，如果一個進程對這些資源進行修改，系統并不會立即為該進程創建資源的副本，而是推遲到該進程真正進行修改時，才為它分配一個新的副本。具體步驟如下：

• 共享資源：多個進程最初可以共享同一塊內存區域或文件（即資源是只讀的）。
• 標記只讀：系統會將這些共享的資源標記為只讀。
• 修改時拷貝：當一個進程嘗試修改共享資源時，操作系統會為該進程創建資源的副本，并將其設為可寫。其他進程仍然使用原始資源，而修改的進程則使用新的副本。
• 繼續共享：如果其他進程繼續只讀訪問原始資源，不會進行拷貝，節省內存和計算資源。

具體的理解可以看下面這一張圖片：

優點：

• 節省內存：由于多個進程或線程可以共享同一資源副本，減少了內存的消耗。
• 提高性能：避免不必要的拷貝操作，只有在修改資源時才進行拷貝，從而提高了效率。
• 提高數據一致性：寫時拷貝確保在修改數據時不會影響其他進程或線程讀取到的數據，避免了數據沖突。

缺點：

• 延遲開銷：在第一次修改資源時，系統需要創建資源的副本，這可能帶來一定的性能開銷。
• 資源消耗：如果多個進程頻繁進行寫操作，系統會進行多次資源拷貝，可能增加資源消耗。

fork的常規用法以及調用失敗的原因：一個父進程希望復制自己，使父子進程同時執行不同的代碼段。例如，父進程等待客戶端請求，生成子進程來處理請求。一個進程要執行一個不同的程序。例如子進程從fork返回后，調用exec函數。

原因：

• 系統中有太多的進程
• 實際用戶的進程數超過了限制
• 進程終止

進程終止的本質是釋放系統資源，就是釋放進程申請的相關內核數據結構和對應的數據和代碼。

進程終止對應的三種情況：

• 代碼運行完畢，結果正確
• 代碼運行完畢，結果不正確
• 代碼異常終止

進程常見的退出方法：

正常終止（可以通過 echo $? 查看進程退出碼）：

• 從main返回
• 調用exit

_exit

異常退出：

• ctrl + c，信號終止

退出碼（退出狀態）可以告訴我們最后一次執行的命令的狀態。在命令結束以后，我們可以知道命令是成功完成的還是以錯誤結束的。其基本思想是，程序返回退出代碼 0 時表示執行成功，沒有問題。

代碼 1 或 0 以外的任何代碼都被視為不成功。

下面是Linux shell常見的退出碼：

_exit函數：

#include <unistd.h> void _exit(int status); 參數：status 定義了進程的終止狀態，父進程通過wait來獲取該值

說明：雖然status是int，但是僅有低8位可以被父進程所用。所以_exit(-1)時，在終端執行$?發現返回值是255。

exit函數：

#include <unistd.h> void exit(int status);

exit最后也會調用_exit, 但在調用_exit之前，還做了其他工作：

• 執行用戶通過 atexit或on_exit定義的清理函數。
• 關閉所有打開的流，所有的緩存數據均被寫入
• 調用_exit

示例：

int main() {     printf("hello");     exit(0); } <p>int main() { printf("hello"); _exit(0); }

上面的結果分別為：

運行結果: [root@localhost linux]# ./a.out hello [root@localhost linux]#</p><p>運行結果: [root@localhost linux]# ./a.out [root@localhost linux]#

return退出：return是一種更常見的退出進程方法。執行return n等同于執行exit(n),因為調用main的運行時函數會將main的返回值作為exit的參數。

進程等待：進程等待是指在操作系統中，當一個進程無法繼續執行時，它進入一種阻塞狀態，等待某些條件或事件的發生才能恢復執行。等待通常發生在進程需要等待資源（如CPU、內存、I/O設備等）或與其他進程之間的同步和通信。

進程等待的必要性：

• 資源共享與避免沖突：多個進程共享資源時，等待機制確保不會發生沖突，避免競爭條件。
• 進程同步與通信：確保進程按照正確順序執行，例如生產者和消費者模型。
• CPU資源管理：避免無謂的CPU占用，讓等待的進程釋放CPU，提高系統效率。
• 防止死鎖：通過合理設計等待策略，避免多個進程互相等待，進入死鎖狀態。
• 提升并發性：使系統能夠并發執行多個進程，最大化資源利用。
• 提高系統穩定性：管理進程優先級，保證重要任務及時執行，確保系統穩定運行。

進程等待的方法：

wait方法：

#include <sys></p><h1>include <sys></h1><p>pid_t wait(int<em> status); 返回值：成功返回被等待進程的PID，失敗返回-1。 參數：輸出型參數，獲取子進程退出狀態,不關心則可以設置成為NULL

waitpid方法：

pid_t waitpid(pid_t pid, int </em>status, int options); 返回值：當正常返回的時候waitpid返回收集到的子進程的進程ID；如果設置了選項WNOHANG,而調用中waitpid發現沒有已退出的子進程可收集,則返回0；如果調用中出錯,則返回-1,這時errno會被設置成相應的值以指示錯誤所在； 參數：pid：Pid=-1,等待任意一個子進程。與wait等效。Pid>0.等待其進程ID與pid相等的子進程。 status: 輸出型參數 WIFEXITED(status): 若為正常終止子進程返回的狀態，則為真。（查看進程是否是正常退出） WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子進程退出碼。（查看進程的退出碼） options:默認為0，表示阻塞等待。WNOHANG: 若pid指定的子進程沒有結束，則waitpid()函數返回0，不予以等待。若正常結束，則返回該子進程的ID。

如果子進程已經退出，調用wait/waitpid時，wait/waitpid會立即返回，并且釋放資源，獲得子進程退出信息。如果在任意時刻調用wait/waitpid，子進程存在且正常運行，則進程可能阻塞。如果不存在該子進程，則立即出錯返回。

獲取子進程的status：wait和waitpid都有status參數，該參數是一個輸出型參數，由操作系統填充。如果傳遞NULL，表示不關心子進程的退出狀態信息。否則，操作系統會根據該參數，將子進程的退出信息反饋給父進程。status不能簡單的當作整形來看待，可以當作位圖來看待，具體細節如下圖（只研究status低16位）：

進程的阻塞等待方式：

int main() { pid_t pid; pid = fork(); if(pid < 0) { perror("fork"); exit(1); } else if(pid == 0) { printf("子進程運行中，PID=%dn", getpid()); sleep(5); exit(0); } else { printf("父進程等待子進程...n"); wait(NULL); printf("子進程已終止，父進程繼續...n"); } return 0; }

進程的非阻塞等待方式：

#include <stdio.h></p><h1>include <stdlib.h></h1><h1>include <sys></h1><h1>include <unistd.h></h1><h1>include <vector></h1><p>typedef void (*handler_t)(); // 函數指針類型 std::vector<handler_t> handlers; // 函數指針數組</p><p>void fun_one() { printf("這是一個臨時任務1n"); }</p><p>void fun_two() { printf("這是一個臨時任務2n"); }</p><p>void Load() { handlers.push_back(fun_one); handlers.push_back(fun_two); }</p><p>void handler() { if (handlers.empty()) Load(); for (auto iter : handlers) iter(); }</p><p>int main() { pid_t pid; pid = fork(); if (pid < 0) { perror("fork"); exit(1); } else if (pid == 0) { printf("子進程運行中，PID=%dn", getpid()); sleep(5); exit(0); } else { printf("父進程非阻塞等待子進程...n"); int status; while (waitpid(pid, &status, WNOHANG) == 0) { printf("父進程繼續執行...n"); sleep(1); handler(); } if (WIFEXITED(status)) { printf("子進程正常終止，退出碼=%dn", WEXITSTATUS(status)); } else { printf("子進程異常終止n"); } } return 0; }