1 fork: 创建新进程

2. 1 fork:创建新进程 系统调用fork创建一个新进程，但新进程的指令段，用户数据段，用户堆栈段都是旧进程一模一样的复制。系统数据段也几乎全是旧进程的复制。 原先的进程被称作“父进程”,新创建的进程被称作“子进程”。在UNIX中，fork系统调用是创建新进程的惟一方式。fork调用惟一能出错的原因是系统中的资源耗尽。

3. 进程执行fork()系统调用，创建出一个新的进程。新的进程叫做子进程，原先的进程叫父进程。组成进程的四个要素中，子进程的指令段，数据段，用户堆栈段，统统都是父进程一模一样的复制。子进程的系统数据段也几乎都是父进程的复制，PCB中只有很少的几个成员父子不同，这至少包括进程标识号PID。这种子进程的初始状态复制父进程的方法，叫“继承”。从此以后，父子进程各自都有一套自己独立的数据和指令，以后的发展，父子进程可以有不同的行为，父子进程对数据的修改也互不影响。进程执行fork()系统调用，创建出一个新的进程。新的进程叫做子进程，原先的进程叫父进程。组成进程的四个要素中，子进程的指令段，数据段，用户堆栈段，统统都是父进程一模一样的复制。子进程的系统数据段也几乎都是父进程的复制，PCB中只有很少的几个成员父子不同，这至少包括进程标识号PID。这种子进程的初始状态复制父进程的方法，叫“继承”。从此以后，父子进程各自都有一套自己独立的数据和指令，以后的发展，父子进程可以有不同的行为，父子进程对数据的修改也互不影响。

4. 【例7-6】使用fork创建子进程。 $ cat fork1.c int a; int main(int argc, char **argv) { int b; printf("[1] %s: BEGIN\n", argv[0]); a = 10; b = 20; printf("[2] a+b=%d\n", a + b); fork(); a += 100; b += 100; printf("[3] a+b=%d\n", a + b); printf("[4] %s: END\n", argv[0]); }

5. 上述程序在执行时，进程执行到fork()系统调用，创建出一个新的进程。从执行a += 100开始，父子进程各有自己一套执行流在独立的执行。这条语句操作的是用户数据区中的变量a，父子进程操作的都是各自私有的数据，互不影响。 b += 100;访问用户堆栈区的数据b，同样的，父子进程互不影响。 printf需要在当前终端上打印，该库函数最终引用文件描述符1，文件描述符是进程系统数据段里的内容，在创建新进程的时候，子进程抄写的跟父进程一样。因此，子进程也是在当前的终端上打印，而不是输出到别的终端上。

6. 最后一个printf引用的argv是main函数的实参，在堆栈区内，argv[0]指针指向的存储空间是堆栈栈底存放的一些数据，尽管父子进程输出的结果完全相同，但却是父子进程各自引用自己私有的堆栈段中数据的结果。因为子进程堆栈段抄写的跟父进程一样，而且新进程创建后父子进程都未修改它们，所以输出结果会相同。 下面是上述程序的执行结果：

7. $ ./fork1 [1] ./fork1: BEGIN [2] a+b=30 [3] a+b=230 [4] ./fork1: END [3] a+b=230 [4] ./fork1: END

8. 这就是fork()创建新进程的方法。从概念上讲，子进程指令段，数据段，堆栈段都是父进程的复制。从逻辑上看，可以理解子进程和父进程有各自独立的私有存储空间，并且子进程的初始状态是父进程的复制。了解了内核处理的这些技术，就不用担心这样做会占用很多内存。这就是fork()创建新进程的方法。从概念上讲，子进程指令段，数据段，堆栈段都是父进程的复制。从逻辑上看，可以理解子进程和父进程有各自独立的私有存储空间，并且子进程的初始状态是父进程的复制。了解了内核处理的这些技术，就不用担心这样做会占用很多内存。 必须有一种方法在程序中区分开父进程和子进程，让父子进程执行不同的程序代码，这样才有意义。 区分父子进程的方法就是依靠fork()系统调用的返回值。fork执行返回后，有两个执行流，两个进程（父和子）都收到返回值，是一个整数，但这两个值不相同。返回值很关键，它用于区分父进程和子进程。例如：

9. int p; p = fork();  那么，这条语句可以分解为两个动作： ① 执行fork()系统调用； ② 给变量p赋值。 按照fork()系统调用的功能，执行完①后，新产生一个子进程，子进程是父进程的复制。接下来的操作②就会有两个进程分别在自己独立的地址空间内执行，各有自己独立的p变量。但是，操作系统对系统调用的处理导致函数调用fork()在父子进程中有不同的返回值。在对p赋值时，父进程的p得到一个正整数，而子进程的p得到0。程序据此区分父子进程，父进程得到的正整数是子进程的PID号。

10. 【例7-7】 fork创建子进程，父子进程执行不同的程序段。  $ cat fork2.c int main(int argc, char *argv[]) { int p; printf("[1] %s: BEGIN\n", argv[0]); p = fork(); if (p > 0) { printf("[2] Parent, p=%d\n", p); } else if (p == 0) { printf("[3] Child, p=%d\n", p); } else { perror("Create new process"); } printf("[4] My PID %d, Parent's PID %d\n", getpid(), getppid()); printf("[5] %s: END\n", argv[0]); }

11. 系统调用fork()返回值-1，那么，创建新进程失败。程序中的getpid()和getppid()是两个系统调用，分别用于获取进程在内核中PCB结构里记录的当前进程的PID号和当前进程的父进程的PID号。用户程序无法直接访问内核数据，必须使用系统调用。类似的系统调用还有一些，例如：getuid()获得当前进程的用户标识号等。系统调用fork()返回值-1，那么，创建新进程失败。程序中的getpid()和getppid()是两个系统调用，分别用于获取进程在内核中PCB结构里记录的当前进程的PID号和当前进程的父进程的PID号。用户程序无法直接访问内核数据，必须使用系统调用。类似的系统调用还有一些，例如：getuid()获得当前进程的用户标识号等。

12. 上述程序的执行输出如下。这个例子中子进程先于父进程运行，也有可能父进程先于子进程运行。 上述程序的执行输出如下。这个例子中子进程先于父进程运行，也有可能父进程先于子进程运行。  $ ./fork2 [1] ./fork2: BEGIN [3] Child, p=0 [4] My PID 20796, Parent's PID 23950 [5] ./fork2: END [2] Parent, p=20796 [4] My PID 23950, Parent's PID 30320 [5] ./fork2: END fork返回值大于0，是子进程的PID；子进程的fork返回值为0。内核在实现fork调用时,首先初始化创建一个新的proc结构，然后复制父进程环境（包括user结构和内存资源）给子进程。

13. exec:重新初始化进程 exec系统调用，从一个指定的程序文件重新初始化一个进程。exec系统调用并没有创建新进程，进程还是旧的进程，只是exec调用将它重新初始化了指令段，用户数据段和堆栈段,系统数据段也几乎没有变化。应当说，exec系统调用是在旧进程中运行新程序。在组成进程的四个要素中，系统数据段PCB基本不变。调用exec时需要提供一个程序文件的名字，从磁盘上读入这一程序文件的内容，用这个程序文件中的CPU指令,重新初始化当前进程的指令段，当前进程的原指令段被丢弃；使用程序文件中的数据段说明，重新初始化当前进程的数据段，并从程序文件中获取数据段初值，

14. 管道操作(1) • 创建管道 int pipe(int pfd[2]) • 创建一个管道，pfd[0]和pfd[1]分别为管道两端的文件描述字，pfd[0]用于读，pfd[1]用于写 • 管道写 ret = write(pfd[1], buf, n) • 若管道已满，则被阻塞，直到管道另一端read将已进入管道的数据取走为止 • 管道容量：某一有限值，如8192字节

15. 管道操作(2) • 管道读 ret = read(pfd[0], buf, n) • 若管道写端已关闭，则返回0 • 若管道为空，且写端文件描述字未关闭，则被阻塞 • 若管道不为空(设管道中实际有m个字节) • n≥m，则读m个； • 如果n＜m则读取n个 • 实际读取的数目作为read的返回值。 • 注意：管道是无记录边界的字节流通信 • 关闭管道close • 关闭写端则读端read调用返回0。 • 关闭读端则写端write导致进程收到SIGPIPE信号(默认处理是终止进程，该信号可以被捕捉) • 写端write调用返回-1，errno被设为EPIPE

16. 父子进程管道通信 • 父进程关闭读端，子进程关闭写端 • 父进程 • fork后

17. 管道通信：写端 /* File name : pwrite.c */ #define syserr(str) { perror(str); exit(1); } main() { int pfd[2]; char fdstr[10], *message = "Send/Receive data using pipe"; if (pipe(pfd) == -1) syserr("Create pipe"); switch(fork()) { case -1: syserr("fork"); case 0: /* child */ close(pfd[1]); sprintf(fdstr, "%d", pfd[0]); execlp("./pread", "pread", fdstr, 0); syserr("Execute pread file"); break; default: /* parent */ close(pfd[0]); if(write(pfd[1], message, strlen(message) + 1) == -1) perror("Write pipe"); break; } }

18. 管道通信：读端 /* File name : pread.c */ #define syserr(str) { perror(str); exit(1); } main(int argc, char **argv) { int fd, nbyte, i; char buf[1024]; fd = strtol(argv[1], 0, 0); nbyte = read(fd, buf, sizeof(buf)); switch (nbyte) { case -1: syserr("Read pipe"); break; case 0: printf("Pipe closed\n"); break; default: printf("%d bytes [%s]\n", nbyte, buf); break; } exit(0); }