Linux C编程--fork()详解

在Linux系统下学习一个系统函数最好的方法就是阅读其源码，首先，给出fork函数的源码

/*
*  linux/kernel/fork.c
*                                //－－fork()用于创建子进程
*  (C) 1991  Linus Torvalds
*/
/*
*  'fork.c' contains the help-routines for the 'fork' system call
* (see also system_call.s), and some misc functions ('verify_area').
* Fork is rather simple, once you get the hang of it, but the memory
* management can be a bitch. See 'mm/mm.c': 'copy_page_tables()'
*/
#include <errno.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <asm/segment.h>
#include <asm/system.h>
                                //－－写页面验证，若页面不可写，则复制页面
extern void write_verify(unsigned long address);
long last_pid=0;
                                //－－进程空间区域写前验证函数
void verify_area(void * addr,int size)
{
    unsigned long start;
    start = (unsigned long) addr;
    size += start & 0xfff;
    start &= 0xfffff000;
    start += get_base(current->ldt[2]);        //－－逻辑地址到线性地址的转换
    while (size>0) {
        size -= 4096;
        write_verify(start);
        start += 4096;
    }
}
int copy_mem(int nr,struct task_struct * p)        //－－复制内存页表
{                                                //－－由于采用写时复制技术，这里只复制目录和页表项，不分配内存
    unsigned long old_data_base,new_data_base,data_limit;
    unsigned long old_code_base,new_code_base,code_limit;
    code_limit=get_limit(0x0f);                    //－－取段限长
    data_limit=get_limit(0x17);
    old_code_base = get_base(current->ldt[1]);
    old_data_base = get_base(current->ldt[2]);
    if (old_data_base != old_code_base)
        panic("We don't support separate I&D");
    if (data_limit < code_limit)
        panic("Bad data_limit");
    new_data_base = new_code_base = nr * TASK_SIZE;
    p->start_code = new_code_base;
    set_base(p->ldt[1],new_code_base);
    set_base(p->ldt[2],new_data_base);
    if (copy_page_tables(old_data_base,new_data_base,data_limit)) {        //－－复制页表
        free_page_tables(new_data_base,data_limit);
        return -ENOMEM;
    }
    return 0;
}
/*
*  Ok, this is the main fork-routine. It copies the system process
* information (task[nr]) and sets up the necessary registers. It
* also copies the data segment in it's entirety.
*/                                    //－－fork()子程序，它复制系统进程信息，设置寄存器，复制数据段(代码段)
int copy_process(int nr,long ebp,long edi,long esi,long gs,long none,
        long ebx,long ecx,long edx, long orig_eax, 
        long fs,long es,long ds,
        long eip,long cs,long eflags,long esp,long ss)        //－－复制进程
{
    struct task_struct *p;
    int i;
    struct file *f;
    p = (struct task_struct *) get_free_page();                //－－为新任务数据结构分配内存
    if (!p)
        return -EAGAIN;
    task[nr] = p;
    *p = *current;    /* NOTE! this doesn't copy the supervisor stack */
    p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
    p->pid = last_pid;
    p->counter = p->priority;
    p->signal = 0;
    p->alarm = 0;
    p->leader = 0;        /* process leadership doesn't inherit */
    p->utime = p->stime = 0;
    p->cutime = p->cstime = 0;
    p->start_time = jiffies;
    p->tss.back_link = 0;
    p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long) p;
    p->tss.ss0 = 0x10;
    p->tss.eip = eip;
    p->tss.eflags = eflags;
    p->tss.eax = 0;
    p->tss.ecx = ecx;
    p->tss.edx = edx;
    p->tss.ebx = ebx;
    p->tss.esp = esp;
    p->tss.ebp = ebp;
    p->tss.esi = esi;
    p->tss.edi = edi;
    p->tss.es = es & 0xffff;
    p->tss.cs = cs & 0xffff;
    p->tss.ss = ss & 0xffff;
    p->tss.ds = ds & 0xffff;
    p->tss.fs = fs & 0xffff;
    p->tss.gs = gs & 0xffff;
    p->tss.ldt = _LDT(nr);
    p->tss.trace_bitmap = 0x80000000;
    if (last_task_used_math == current)
        __asm__("clts ; fnsave %0 ; frstor %0"::"m" (p->tss.i387));
    if (copy_mem(nr,p)) {
        task[nr] = NULL;
        free_page((long) p);
        return -EAGAIN;
    }
    for (i=0; i<NR_OPEN;i++)                    //－－如果父进程中有文件是打开的，则将对应文件的打开次数增1
        if (f=p->filp[i])
            f->f_count++;
    if (current->pwd)
        current->pwd->i_count++;
    if (current->root)
        current->root->i_count++;
    if (current->executable)
        current->executable->i_count++;
    if (current->library)
        current->library->i_count++;
    set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));    //－－在GDT表中设置新任务的TSS和LDT
    set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));
    p->p_pptr = current;
    p->p_cptr = 0;
    p->p_ysptr = 0;
    p->p_osptr = current->p_cptr;
    if (p->p_osptr)
        p->p_osptr->p_ysptr = p;
    current->p_cptr = p;
    p->state = TASK_RUNNING;    /* do this last, just in case */
    return last_pid;
}
int find_empty_process(void)                        //－－为新进程取得不重复的进程号last_pid
{
    int i;
    repeat:
        if ((++last_pid)<0) last_pid=1;
        for(i=0 ; i<NR_TASKS ; i++)
            if (task[i] && ((task[i]->pid == last_pid) ||
                        (task[i]->pgrp == last_pid)))
                goto repeat;
    for(i=1 ; i<NR_TASKS ; i++)
        if (!task[i])
            return i;
    return -EAGAIN;
}

以下给出说明：

fork函数

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>  pid_t fork(void);

fork调用失败则返回-1，调用成功的返回值见下面的解释。我们通过一个例子来理解fork是怎样创建新进程的。

这个程序的运行过程如下图所示。

1. 父进程初始化。

2. 父进程调用fork，这是一个系统调用，因此进入内核。

3. 内核根据父进程复制出一个子进程，父进程和子进程的PCB信息相同，用户态代码和数据也相同。因此，子进程现在的状态看起来和父进程一样，做完了初始化，刚调用了fork进入内核，还没有从内核返回。

4. 现在有两个一模一样的进程看起来都调用了fork进入内核等待从内核返回（实际上fork只调用了一次），此外系统中还有很多别的进程也等待从内核返回。是父进程先返回还是子进程先返回，还是这两个进程都等待，先去调度执行别的进程，这都不一定，取决于内核的调度算法。

5. 如果某个时刻父进程被调度执行了，从内核返回后就从fork函数返回，保存在变量pid中的返回值是子进程的id，是一个大于0的整数，因此执下面的else分支，然后执行for循环，打印"This is the parent\n"三次之后终止。

6. 如果某个时刻子进程被调度执行了，从内核返回后就从fork函数返回，保存在变量pid中的返回值是0，因此执行下面的if (pid == 0)分支，然后执行for循环，打印"This is the child\n"六次之后终止。fork调用把父进程的数据复制一份给子进程，但此后二者互不影响，在这个例子中，fork调用之后父进程和子进程的变量message和n被赋予不同的值，互不影响。

7. 父进程每打印一条消息就睡眠1秒，这时内核调度别的进程执行，在1秒这么长的间隙里（对于计算机来说1秒很长了）子进程很有可能被调度到。同样地，子进程每打印一条消息就睡眠1秒，在这1秒期间父进程也很有可能被调度到。所以程序运行的结果基本上是父子进程交替打印，但这也不是一定的，取决于系统中其它进程的运行情况和内核的调度算法，如果系统中其它进程非常繁忙则有可能观察到不同的结果。另外，读者也可以把sleep(1);去掉看程序的运行结果如何。

8. 这个程序是在Shell下运行的，因此Shell进程是父进程的父进程。父进程运行时Shell进程处于等待状态，当父进程终止时Shell进程认为命令执行结束了，于是打印Shell提示符，而事实上子进程这时还没结束，所以子进程的消息打印到了Shell提示符后面。最后光标停在This is the child的下一行，这时用户仍然可以敲命令，即使命令不是紧跟在提示符后面，Shell也能正确读取。

fork函数的特点概括起来就是“调用一次，返回两次”，在父进程中调用一次，在父进程和子进程中各返回一次。从上图可以看出，一开始是一个控制流程，调用fork之后发生了分叉，变成两个控制流程，这也就是“fork”（分叉）这个名字的由来了。子进程中fork的返回值是0，而父进程中fork的返回值则是子进程的id（从根本上说fork是从内核返回的，内核自有办法让父进程和子进程返回不同的值），这样当fork函数返回后，程序员可以根据返回值的不同让父进程和子进程执行不同的代码。

fork的返回值这样规定是有道理的。fork在子进程中返回0，子进程仍可以调用getpid函数得到自己的进程id，也可以调用getppid函数得到父进程的id。在父进程中用getpid可以得到自己的进程id，然而要想得到子进程的id，只有将fork的返回值记录下来，别无它法。

fork的另一个特性是所有由父进程打开的描述符都被复制到子进程中。父、子进程中相同编号的文件描述符在内核中指向同一个file结构体，也就是说，file结构体的引用计数要增加。