「Linux 系统编程」fork() 创建子进程

1 fork() 函数

在 Linux 系统编程中，进程创建是核心概念之一。一个进程（父进程）可以通过 fork() 函数 创建出一个与自己几乎完全相同的副本（子进程）。

1.1 函数原型

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

1.2 工作原理

调用 fork() 函数后，操作系统会 创建一个新的进程，这个新进程是调用者进程（父进程）的一个完整副本（子进程）。

• 复制进程上下文：操作系统会为子进程 分配一个新的进程标识符（PID），然后复制父进程的文本段、数据段、堆栈段以及进程环境（如打开的文件描述符、信号处理程序等）到子进程中。

• 读时共享、写时复制：

  • 在 fork() 刚成功时，或者 只涉及读的操作，父子进程的物理内存页是共享的（读时共享）。

  • 只有当任一进程试图修改这些内存页时，涉及写的操作，操作系统才会为该进程复制一份独立的副本（写时复制）。

• 返回值分流：

  fork() 函数会 返回两次。

  • 在 父进程 中，fork() 函数返回 新创建子进程的 PID（一个大于 0 的正整数）。

  • 在 子进程 中，fork() 函数返回 0。表示创建子进程成功。

  • 如果创建失败（例如系统进程数达到上限），则返回 -1 给父进程。

可以通过判断返回值，决定后续是执行父进程的代码还是子进程的代码。

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1.3 getpid() 与 getppid()

在处理进程时，经常需要获取进程的标识符（PID）：

pid_t getpid(void)：返回 当前进程的 PID。
pid_t getppid(void)：返回 当前进程的父进程的 PID（PPID）。

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1.4 创建子进程示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    pid_t pid; // 用于存储 fork() 的返回值

    printf("Before fork, PID: [%d]\n", getpid());

    pid = fork(); // 从这里开始，程序一分为二

    // 判断当前是父进程还是子进程
    if (pid == -1) {
        // fork 失败
        perror("Fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码块
        printf("This is the child process. My PID is [%d], my parent's PID is [%d].\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 父进程代码块 (pid > 0)
        sleep(1);  // 等待一段时间 保证子进程完成时，父进程处于执行状态，子进程不会成孤儿进程。
        printf("This is the parent process. My PID is [%d], my child's PID is [%d].\n", getpid(), pid);
    }

    // 这里的代码父子进程都会执行
    printf("This message is from PID: [%d]\n", getpid());

    return 0;
}

进程调度是随机的，父进程和子进程异步执行，它们的输出顺序不确定，可能会交错出现。

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2 循环创建多个子进程

2.1 错误示例

如果直接在循环中调用 fork() 函数，实际上会创建出 $2^n - 1$ 个子进程：

// 错误示例：会产生 2^n 个子进程
for (int i = 0; i < n; i++) {
    fork();
}

上面的代码会产生指数级增长的进程。每次 fork() 后，父进程 和 刚创建的子进程 都会继续执行下一次循环。

假设 n = 3，上面代码实际循环创建子进程的过程如下：

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2.2 正确示例

正确的做法是在 fork() 后通过 判断返回值来终止子进程的循环：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

#define N 10

int main() {
    pid_t pid;
    int i;

    printf("Parent PID [%d] starts creating %d children...\n", getpid(), N);

    for (i = 0; i < N; i++) {
        pid = fork();

        if (pid < 0) {
            perror("Fork failed");
            return 1;
        } else if (pid == 0) {
            // 子进程：立刻跳出循环，避免子进程继续创建孙子进程
            printf("I am child %d, my PID is [%d], my parent is [%d]\n", i, getpid(), getppid());
            break; // 子进程跳出循环
        }
        // 父进程继续下一次循环，创建下一个子进程
    }

    // 区分不同的进程
    if (pid == 0) {
        // 所有子进程都会执行的代码
        printf("Child process [%d] is done.\n", getpid());
    } else {
        // 只有父进程会执行的代码
        sleep(5); // 父进程等待一段时间，避免子进程变为孤儿进程
        printf("Parent process [%d] has collected all children.\n", getpid());
    }

    return 0;
}

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3 父子进程相同和不同的内容

特性	父子进程相同点	父子进程不同点
代码段	在 fork() 瞬间完全相同	之后可以执行不同的代码路径（通过 if-else 判断）
数据段、堆、栈	在 fork() 瞬间拥有相同的内容	之后由于 写时复制，对变量的修改相互独立
环境变量	继承父进程的环境	可独立修改（如使用 setenv），不影响对方
文件描述符	共享 相同的打开文件表项。文件偏移指针会相互影响	拥有独立的文件描述符编号集合，但指向相同的内核文件对象
信号处理	继承父进程的信号处理设置（如 ignore, handler）	可以独立设置新的信号处理方式
进程属性	-	PID、PPID、进程运行时间、未决信号集等不同
锁状态	-	子进程不会继承父进程通过 fcntl 创建的锁

共享的文件描述符：

如果父进程打开了一个文件，然后调用 fork()，父子进程可以对同一个文件进行读写。它们的操作会相互影响文件偏移指针。例如，如果父进程写入 “Hello”，子进程写入 “World”，那么文件内容将是 “HelloWorld” 而不是随机的覆盖。