关于fork()返回值

女爷i 2022-09-18 04:54 178阅读 0赞

fork简介：        
   fork英文原意是“分岔，分支”的意思，而在操作系统中，乃是著名的Unix（或类Unix，如Linux，Minix）中用于创建子进程的系统调用。   
  
【NOTE1】   
fork () 的作用是什么？换句话说，你用 fork () 的目的是什么？   
――是为了产生一个新的进程，地球人都知道 :)  
产生一个什么样的进程？   
――和你本来调用 fork () 的那个进程基本一样的进程，其实就是你原来进程的副本;   
真的完全一样吗？   
――当然不能完全一样，你要两个除了 pid 之外其它一模一样的进程干什么，就算memory   
再多也不用这么摆谱吧？   
哪里不一样？   
――当然最重要的是 fork () 之后执行的代码不一样，you know, i know :)   
怎么实现呢？   
――如果是 Windows，它会让你在 fork () 里面提供一大堆东西，指明这个那个什么的……   
我用的是 unix 啊   
――所以很简单，unix 会让两个进程（不错，原来是一个，unix 替你复制了一个，现在有两个）   
在 fork () 之后产生不同：返回值不同。其中一个进程（使用新的 pid）里面的 fork () 返回零，   
这个进程就是“子进程”；而另一个进程（使用原来的 pid）中的 fork () 返回前面那个子进程的   
pid，他自己被称为“父进程”   
然后呢？   
――写代码的人又不笨，当然就根据返回值是否非零来判断了，现在我是在子进程里面呢，还是在   
父进程里面？在子进程里面就执行子进程该执行的代码，在父进程里面就执行父进程的代码……   
  
    有铁杆 windows fans 借此说明，windows 好啊，子进程用子进程的代码，父进程用父进程的，   
你 unix 笨了吧，子进程包含父进程、子进程的代码，父进程包含父进程子进程的代码，岂不是多占用内存了吗？   
――据我所知，unix 代码段都是可重入代码，也就是说，进程复制，并不复制代码段，若干个进程   
共享同一代码段，增加的只是全局共享数据和对文件描述符的引用等，另外就是堆栈。你一个代码   
长达 10M 的进程，fork () 出三四个子进程，只是增加一点内存占用（如果你没有使用很多全局变量   
的话），而不是占用 40M 以上的内存。   
  
【NOTE2】   
程序   从   fork   开始分支   （称分支不准确），   一路是主进程   pid   >   0   (pid   是子进程ID)   一路是子进程   pid   ==   0   自此分成两个任务   
其实fork的时候已经两个分支了，数据段被复制了一份，因此pid有两份         
执行pid=fork()时，返回值赋给pid在两个进程中运行，         
fork会返回给父进程的那个>0的值，告诉调用者新建进程的pid      
子进程的fork返回值是0       
更不用说if...else的比较也是在两个进程中都做的了      
  
【NOTE3】   
fork的精辟剖析   
程序如下：   
\#include <unistd.h>;   
\#include <sys/types.h>;   
main ()

\{ pid\_t pid;   
pid=fork();   
  
   if (pid < 0) printf("error in fork!");   
else if (pid == 0)   
   printf("i am the child process, my process id is %dn",getpid());   
else   
printf("i am the parent process, my process id is %dn",getpid());   
\}   
  
结果是   
  
\[root@localhost c\]\# ./a.out   
  
i am the child process, my process id is 4286   
  
i am the parent process, my process id is 4285   
  
一：   
要搞清楚fork的执行过程，就必须先讲清楚操作系统中的“进程(process)”概念。一个进程，主要包含三个元素：   
  
o. 一个可以执行的程序；   
  
o. 和该进程相关联的全部数据（包括变量，内存空间，缓冲区等等）；   
  
o. 程序的执行上下文（execution context）。   
  
不妨简单理解为，一个进程表示的，就是一个可执行程序的一次执行过程中的一个状态。操作系统对进程的管理，典型的情况，是通过进程表完成的。进程表中的每 一个表项，记录的是当前操作系统中一个进程的情况。对于单 CPU的情况而言，每一特定时刻只有一个进程占用 CPU，但是系统中可能同时存在多个活动的（等待执行或继续执行的）进程。一个称为“程序计数器（program counter, pc）”的寄存器，指出当前占用 CPU的进程要执行的下一条指令的位置。当分给某个进程的 CPU时间已经用完，操作系统将该进程相关的寄存器的值，保存到该进程在进程表中对应的表项里面；把将要接替这个进程占用 CPU的那个进程的上下文，从进程表中读出，并更新相应的寄存器（这个过程称为“上下文交换(process context switch)”，实际的上下文交换需要涉及到更多的数据，那和fork无关，不再多说，主要要记住程序寄存器 pc指出程序当前已经执行到哪里，是进程上下文的重要内容，换出 CPU的进程要保存这个寄存器的值，换入CPU的进程，也要根据进程表中保存的本进程执行上下文信息，更新这个寄存器）。   
  
好了，有这些概念打底，可以说fork了。当你的程序执行到下面的语句：   
  
pid=fork();   
  
操作系统创建一个新的进程（子进程），并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序；上下文和数据，绝大部分就是 原进程（父进程）的拷贝，但它们是两个相互独立的进程！此时程序寄存器pc，在父、子进程的上下文中都声称，这个进程目前执行到fork调用即将返回（此 时子进程不占有CPU，子进程的pc不是真正保存在寄存器中，而是作为进程上下文保存在进程表中的对应表项内）。问题是怎么返回，在父子进程中就分道扬 镳。   
  
父进程继续执行，操作系统对fork的实现，使这个调用在父进程中返回刚刚创建的子进程的pid（一个正整数），所以下面的if语句中pid<0, pid==0的两个分支都不会执行。所以输出i am the parent process...   
  
子进程在之后的某个时候得到调度，它的上下文被换入，占据 CPU，操作系统对fork的实现，使得子进程中fork调用返回0。所以在这个进程（注意这不是父进程了哦，虽然是同一个程序，但是这是同一个程序的另 外一次执行，在操作系统中这次执行是由另外一个进程表示的，从执行的角度说和父进程相互独立）中pid=0。这个进程继续执行的过程中，if语句中 pid<0不满足，但是pid= =0是true。所以输出i am the child process...   
  
为什么看上去程序中互斥的两个分支都被执行了？在一个程序的一次执行中，这当然是不可能的；但是你看到的两行输出是来自两个进程，这两个进程来自同一个程序的两次执行。   
  
fork之后，操作系统会复制一个与父进程完全相同的子进程，虽说是父子关系，但是在操作系统看来，他们更像兄弟关系，这2个进程共享代码空间，但是数据 空间是互相独立的，子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝，指令指针也完全相同，但只有一点不同，如果fork成功，子进程中fork的返回值是0， 父进程中fork的返回值是子进程的进程号，如果fork不成功，父进程会返回错误。   
  
可以这样想象，2个进程一直同时运行，而且步调一致，在fork之后，他们分别作不同的工作，也就是分岔了。这也是fork为什么叫fork的原因。   
  
在程序段里用了fork()之后程序出了分岔，派生出了两个进程。具体哪个先运行就看该系统的调度算法了。   
  
如果需要父子进程协同，可以通过原语的办法解决。   
  
二：   
进程的创建:   
创建一个进程的系统调用很简单.我们只要调用fork函数就可以了.   
＃include <unistd.h>   
pid\_t fork();   
  
当一个进程调用了fork以后,系统会创建一个子进程.这个子进程和父进程不同的地方只有他的进程ID和父进程ID,其他的都是一样.就象父进程克隆 (clone)自己一样.当然创建两个一模一样的进程是没有意义的.为了区分父进程和子进程,我们必须跟踪fork的返回值. 当fork掉用失败的时候(内存不足或者是用户的最大进程数已到)fork返回-1,否则fork的返回值有重要的作用.对于父进程fork返回子进程的 ID,而对于fork子进程返回0.我们就是根据这个返回值来区分父子进程的. 父进程为什么要创建子进程呢?前面我们已经说过了Linux是一个多用户操作系统,在同一时间会有许多的用户在争夺系统的资源.有时进程为了早一点完成任 务就创建子进程来争夺资源. 一旦子进程被创建,父子进程一起从fork处继续执行,相互竞争系统的资源.有时候我们希望子进程继续执行,而父进程阻塞,直到子进程完成任务.这个时候 我们可以调用wait或者waitpid系统调用.   
  
   总结一下有三：   
  
1,派生子进程的进程，即父进程，其pid不变；   
  
2,对子进程来说，fork返回给它0,但它的pid绝对不会是0；之所以fork返回0给它，是因为它随时可以调用getpid()来获取自己的pid；   
  
3,fork之后父子进程除非采用了同步手段，否则不能确定谁先运行，也不能确定谁先结束。认为子进程结束后父进程才从fork返回的，这是不对的，fork不是这样的，vfork才这样。   
  
  
【NOTE4】   
  
首先必须有一点要清楚，函数的返回值是储存在寄存器eax中的。   
其次，当fork返回时，新进程会返回0是因为在初始化任务结构时，将eax设置为0；   
在fork中，把子进程加入到可运行的队列中，由进程调度程序在适当的时机调度运行。也就是从此时开始，当前进程分裂为两个并发的进程。   
无论哪个进程被调度运行，都将继续执行fork函数的剩余代码，执行结束后返回各自的值。   
  
【NOTE5】   
对于fork来说，父子进程共享同一段代码空间，所以给人的感觉好像是有两次返回，其实对于调用fork的父进程来说，如果fork出来的子进程没有得到 调度，那么父进程从fork系统调用返回，同时分析sys\_fork知道，fork返回的是子进程的id。再看fork出来的子进程，由 copy\_process函数可以看出，子进程的返回地址为ret\_from\_fork（和父进程在同一个代码点上返回），返回值直接置为0。所以当子进 程得到调度的时候，也从fork返回，返回值为0。   
    关键注意两点：1.fork返回后，父进程或子进程的执行位置。（首先会将当前进程eax的值做为返回值）2.两次返回的pid存放的位置。（eax中）   
  
进程调用copy\_process得到lastpid的值（放入eax中，fork正常返回后，父进程中返回的就是lastpid）   
子进程任务状态段tss的eax被设置成0，   
fork.c 中   
p->tss.eax=0;（如果子进程要执行就需要进程切换，当发生切换时，子进程tss中的eax值就调入eax寄存器，子进程执行时首先会将eax的内容做为返回值）   
当子进程开始执行时，copy\_process返回eax的值。   
fork()后,就是两个任务同时进行,父进程用他的tss,子进程用自己的tss,在切换时,各用各的eax中的值.   
  
所以，“一次调用两次返回”是2个不同的进程！   
看这一句：pid＝fork()   
当执行这一句时，当前进程进入fork()运行，此时，fork()内会用一段嵌入式汇编进行系统调用：int 0x80（具体代码可参见内核版本0.11的unistd.h文件的133行\_syscall0函数）。这时进入内核根据此前写入eax的系统调用功能号 便会运行sys\_fork系统调用。接着，sys\_fork中首先会调用C函数find\_empty\_process产生一个新的进程，然后会调用C函数 copy\_process将父进程的内容复制给子进程，但是子进程tss中的eax值赋值为0（这也是为什么子进程中返回0的原因），当赋值完成后， copy\_process会返回新进程（该子进程）的pid，这个值会被保存到eax中。这时子进程就产生了，此时子进程与父进程拥有相同的代码空间，程 序指针寄存器eip指向相同的下一条指令地址，当fork正常返回调用其的父进程后，因为eax中的值是新创建的子进程号，所以，fork()返回子进程 号，执行else（pid>0）;当产生进程切换运行子进程时，首先会恢复子进程的运行环境即装入子进程的tss任务状态段，其中的eax 值(copy\_process中置为0)也会被装入eax寄存器，所以，当子进程运行时，fork返回的是0执行if(pid==0)。   
  
【NOTE5】   
理解它关键在于理解堆栈的切换和压栈，弹栈!   
关于子进程的返回:   
子进程复制了父进程的栈内容，从高到低   
SS   
ESP   
EFLAGS   
CS   
EIP -----此是int 0x80 的下一条指令，也是子进程开始执行的地方！！！！   
DS   
ES   
FS   
EDX   
ECX   
EBX   
GS   
ESI   
EDI   
EBP   
EAX(0)   
  
由于 EAX = 0,所以子进程返回 0 给 fork.   
  
注：新进程的用户栈设为其父进程的用户栈(最后弹出的SS,ESP)。如果父子进程以copy\_on\_write方式共用用户堆栈   
(Linux之下就是这样的)，而且在此之前父进程修改了该堆栈(如果父进程先返回，这几乎是肯定的），那么，系统已经为父进程创建了该用户栈的副本，父进程原来的用户栈留给了子进程。那么新进程的系统栈已经清空，新进程回到了用户态，返回到了函数fork。   
  
【NOTE6】   
关于fork的讨论与评价：   
fork好不好？相比其他操作系统如Windows，Windows会有诸如CreateProcess这样的函数来创建一个与生俱来两手空空的独立的新进程。然后还有一大堆参数，指手画脚的告诉你这个那个是什么。。。   
  
烦!!!   
  
K.I.S.S. (Keep it simple,stupid.)是Unix的至高原则。   
  
fork 起源于 Unix 操作系统。那是贝尔实验室的 K&R (这两人是Unix和C语言之父) 的一项天才发明!!!   Linux由于与生俱来就与Unix血浓于水，所以继承了它的这个天才发明。   
  
这种方法效率是很高的。因为复制的代价是很低的。在计算机网络的实现中，以及在 client/server 系统中的server 一方的实现中，fork 常常是最自然，最有效，最适宜的手段。很多人甚至怀疑，到底是先有 fork 还是先有 client/server，因为 fork 似乎就是专门为此而设计的 !更重要的好处是，这样有利于父子进程间通过 pipe 建立起一种简单有效的进程间通信管道，并且产生了操作系统的用户界面即 shell 的管道机制。这一点，对于 Unix 的发展和应用推广，对于 Uinx 程序设计环境的形成，对于 Unix 程序设计风格的形成，都有非常深远的影响。可以说这是一项天才的发明，它在很大程度上改变了操作系统的发展方向。