进程概念（三）----- fork 初识

前言

该篇文章是继 添加链接描述 文章的后续，针对 linux 中的 task_struct 进程的 PID（也即标识符）介绍，和系统调用中的 fork 展开初步的认识。

task_ struct 内容分类：
标识符:  描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。
状态:  任务状态，退出代码，退出信号等。
优先级:  相对于其他进程的优先级。
程序计数器:  程序中即将被执行的下一条指令的地址。（其作用就相当于进程运行了一段时间后，因为系统调度等原因，停止了对该进程的执行而后续回来继续执行的时候，需要知道上次执行到什么地方了。也好比我们看书，今天看完不想看了之后，会在此处做一下标记，方便后续继续向下观看）
内存指针:  包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针（比如记录了该进程所匹配的代码和数据的存储位置）
上下文数据:  进程执行时处理器的寄存器中的数据[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
I／O状态信息:  包括显示的I/O请求，分配给进程的 I／O 设备和被进程使用的文件列表。
记账信息:  可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。（保证系统调度的公平等）
其他信息

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1. pid && ppid

在前面的进程相关的文章，我们已经知道了，因为用户不擅长直接对操作系统进行访问，并且操作系统也不会相信用户，因此用户无法直接访问操作系统。而在上一篇文章的末尾，我们简单见过了进程的 PID，但是那是通过系统指令获取到的 PID，而作为用户在编程语言上，在无法访问操作系统拿到数据的前提下，如何获取进程的 PID 等进程信息呢？

// 测试demo
#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;int main()
{while(1){cout << "I am a process, my pid is " << getpid() << ", my parentId is " << getppid() << '\n';sleep(1);}return 0;
}

左右对比，我们是可以得知，在我们通过 c / c++ 编写的程序，运行起来后，系统会自动会该进程创建一个 PID，并且在cpp 中预取这个 PID 和我们在系统中获取的 PID 是一致的。

所以，PID 有什么用呢？？ ---- 既然 PID 是每个进程的唯一标识符，那么当我们对进程进行管理的时候，就可以通过其PID 对该进程进行操作，比如杀掉该进程 kill -9 20059 等操作。

而当我们结束上一次进程，重新运行我们的程序时，我们又会发现，它的 pid 不一样了，这也是正常的现象。但是我们可以发现，进程自己的 pid 会变，但是他的父进程的 pid 确不会变！一直是 2742，好奇心驱动我们去查看这个父进程，它到底是谁！

没错！2742 它就是我们的 bash，这个 bash 进程是由 xshell 为我们创建的一个命令行的进程！所以同理，当我们断开对 linux 的链接之后，再一次链接 linux，进程的 ppid 也会随之改变，即我们每一次通过xshell 远程连接我们的服务器时，xshell 都会为我们重新分配一个 bash 进程，用来给我们提供命令行服务！

2. fork

但是上述的这些进程，可都是操作系统给我们创建出来的。那么现在我要手动创建进程，该怎么做呢？ ---- 调用 fork 系统函数。那么修改后的 demo 代码如下：

int main()
{cout << "before the fork!\n";fork();cout << "after the fork!\n";sleep(1)return 0;
}

很明显，在执行完 fork函数之后，fork 之后的代码，被执行了 两次！为什么？最简单的回答就是，因为 fork 是创建进程的系统函数，因此在执行完 fork 之后，会有两个进程，同时执行这一份代码，所以代码一共被执行了两次！

但是上述仅仅是我们的猜测，为了更清楚的了解 fork 函数干了什么，我们需要通过 man 手册进一步了解 fork 函数！

以上是 fork 函数介绍中的一段信息，但是有一点奇怪的是！这个函数怎么可以返回两个值呢？？据 man 手册的介绍，如果进程创建成功，返回这个进程的 pid 给它的父进程，返回 0 给自己；创建失败，则返回 -1 给父进程。这显然是我们无非理解的，在 C/C++ 语言当中，函数的返回值一直都只能有一个啊！而现在，这个 fork 函数，它告诉我有两个返回值！

多的不说，我们再来做一个 demo 测试，到底是不是真的这样，这个函数有两个返回值。

int main()
{cout << "I am a process, pid: " << getpid() << ", ppid: " << getppid() << '\n';pid_t pid = fork();if(pid == 0){// 子进程部分while(1){cout << "I am a child process, pid: " << getpid() << ", ppid: " << getppid() << "\n";sleep(1);}}else if(pid > 0){// 父进程部分while(1){cout << "I am a parent process, pid: " << getpid() << ", ppid: " << getppid() << "\n";sleep(1);}}else{cout << "error\n";}return 0;
}

没错！就是这么神奇，如果站在语言上的认知，这是根本无法理解的现象，每个 if 分支里面都是一个死循环，但是，运行起来确出现了两个 if 分支里的内容！所以这可以进一步的说明了，fork 之后，会多一个进程，而这个进程是由原来的进程所创建出来的，它的 ppid （即父进程）就是创建它的进程的 pid ！而 fork 作为系统调用接口，也会为创建出来的进程进行属性初始化（分配 pid 等操作）。所以站在系统的角度看待这一段代码的话，那么就能说明原本的进程，作为父进程，在执行完 fork 函数之后，接收到的是创建出来的子进程的 pid，因此会执行第一个 if 分支，而子进程自己接收到 0 的返回值，所以执行第二个 if 分支的内容。

一般而言，fork 之后的代码，是父进程与子进程共享的！所以返回值的不同，恰恰是为了区分，让不同的执行流执行不同的代码块！

接下来，我们要回答几个关于 fork 的问题。

a. 为什么 fork 要给子进程返回 0， 给父进程返回子进程的 pid ？

你知道的，父亲永远只有一个，而孩子可以有很多个，一个孩子也不可能同时有两个父亲。因此在操作系统中同理，一个父进程可以有多个子进程，但是不可能存在一个子进程有多个父进程！所以把子进程的 pid 给父进程，是为了让父进程可以明确的找到它的子进程，而子进程永远只有一个父进程，就不用谈找不到这件事了。假设今天父进程有10个子进程，但是它并不知道这个进程跟那个进程的 pid，也就无法明确指定操作其中某一个子进程了！再者，父进程在创建时，父进程有自己的内核 pcb 数据结构，也有自己的代码和数据，那现在父进程创建出一个子进程之后，系统会为子进程其分配一个 pcb，这没问题，但是子进程应该执行什么样的代码和访问什么样的数据呢？ 而开始创建子进程是时候，子进程是没有自己的代码和数据的，所以子进程只能与父进程共享一样的代码（数据另谈）！那问题又来了，当 cpu 在调度的时候，父进程在执行这一份代码，子进程也是执行的这一份代码，这也是上面实验时，fork 之后的代码会重复执行两遍的原因。那这有什么意义呢？或者说，同样的代码为什么要执行两遍呢？所以问题就回归到了 我们为什么要创建这个子进程？！ 所以一定是为了让父进程和子进程执行不同的代码，完成不同的工作！所以就需要让 fork 具有不同的返回值，才能达到区别不同的执行流！

b. 一个函数是如何做到两次的？

既然 fork 是用于创建进程的一个系统调用函数，而站在系统层面上，创建进程就要为其创建一个 pcb，并且每个进程需要有与其匹配的代码和数据，这是系统在创建进程时需要做的工作。那么我们就不难猜测，fork 在干什么。

pid_t fork(void)
{创建子进程填充 PCB 对应的内容让父子进程共享同一份代码到这一步，父子进程都用拥有了自己独立的 task_struct（即 PCB），可以被 cpu 调度运行了......return ret;
}

我们知道的是，子进程被创建出来之后，父子进程会共享代码，因此 fork 之后的代码才会被执行两次。现在的问题就是那么 return ret 是不是一条代码？ ---- 它是代码是不争的事实！又因为在 return 之前子进程就已经被创建了，并且也完成了其 pcb 的各种初始化工作，同父进程一样拥有独立的 task_struct，所以既然在 return 语句的时候，子进程就已经完全存在了，那么 return 语句就自然是会被父子进程都执行！所以父进程返回一次，子进程返回一次，这个函数一共就返回了两次！

c. fork 函数在干什么？

其实这个问题在上面的介绍中，就已经不难得知了。fork 就是在创建一个进程，并且用其父进程对应的字段来初始化子进程，而因为子进程刚创建出来，没有自己的代码和数据，所以就需要和父进程共享同一份代码（数据另谈）。我们都知道，之所以可以共享代码，是因为代码存储在系统的常量区，它是不能够被修改的，因此父进程并不会因为与子进程进行代码共享而受到影响。但是数据就不一定，数据是可以被修改的！所以假如父进程和子进程共享同一份数据，然后子进程需要对其中的数据进行修改，这个数据又恰恰是父进程的某一个条件判断所需的数据，这就势必会影响到父进程的正常运行！那怎么办呢？？所以子进程可以将父进程的数据拷贝一份给自己独立使用，自己怎么修改都不会影响到父进程。但是问题又来了，假设父进程当中有100个全局变量数据，而将来子进程只需要用到其中一个，其它的 99 个甚至更多都不需要修改，这样就会导致系统资源变少，利用率也变低。而实际上，被创建出来的子进程，需要修改到的数据其实是不大的，基本不可能有子进程需要修改父进程的全部数据。因此在面对数据方面，子进程则是采用了 写时拷贝 的策略，当子进程与父进程进行数据共享之后，子进程需要修改数据，系统就会为子进程开辟一块属于子进程自己的空间，并且将要修改的数据拷贝一份，供子进程修改和使用，子进程需要多少空间，系统就开辟多少，而后续子进程访问的也是自己的数据，这样父子进程就不会互相影响（因为我们需要保证让进程之间相互独立，互不影响。总不能是今天我csdn网页的进程奔溃了，连同我的音乐进程也奔溃了吧）。

d. 一个变量怎么做到拥有不同的内容的？

这个问题对 b 问题的一个延续，在上面的问答中，我们已经能够得知，一个函数之所以可以返回两个值，是因为在 return 的时候，子进程就已经被创建出来了，并且开始与父进程共享代码；在数据层面上，子进程并不是完全与父进程进行数据共享，而是采用了 写时拷贝 的策略。所以现在需要确定的是，return 是不是一种对数据的修改，或者是算不算数据的写入？ ---- return 将数据进行返回，所以有数据，就必须要接收，也即数据的写入，而写入就是修改的范畴，所以当系统检测到子进程要对父进程的数据进行修改的时候，就会为其开辟一块自己的空间供子进程使用。所以站在系统层面上，这个变量数据在内存中存在两份，一份是父进程的，一份是子进程的，所以当我们站在语言的角度上，才看到了一个变量拥有两个不一样的值。

e. 拓展：fork()之后，父子进程谁先运行？

如果大家有这方面的疑惑的话，就需要深入了解在系统调度器方面的知识，因为谁先运行，这是调度器决定的！在系统层面上，谁先运行，取决于调度器决定先将哪个进程提携给 cpu 执行。而每个系统的调度原理都不太一样，所以这方面又是一门足以压死人的学问，小篇也是无能为力。

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进程介绍到这里的时候，还远远没有结束，我们现在只是弄清楚进程是什么，以及与进程相关的系统调用 fork，但是进程还会有所谓的状态，比如进程等待，堵塞等等。但是由于篇幅问题，关于进程的状态等方面的信息，小篇会在后续文章中一一介绍。

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