fork和线程，进程的理解

本文分为三部分：

1.       什么是fork？

2.       fork用途？

3.       fork怎么工作？

1．  什么是fork?

Fork源于OS中多线程任务的需要。在传统的Unix环境下，有两个基本的操作用于创建和修改进程：函数fork( )用来创建一个新的进程，该进程几乎是当前进程的一个完全拷贝；函数族exec( )用来启动另外的进程以取代当前运行的进程。

下面说一下进程和线程。

进程的简单理解就是：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。

一个进程，主要包含三个元素：

一个可以执行的程序； --- 代码段 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）； --- 数据段 程序的执行上下文（execution context）。 --- 堆栈段

    "代码段"，顾名思义，就是存放了程序代码的数据，假如机器中有数个进程运行相同的一个程序，那么它们就可以使用相同的代码段。"堆栈段"存放的就是子程序的返回地址、子程序的参数以及程序的局部变量。而数据段则存放程序的全局变量，常数以及动态数据分配的数据空间（比如用malloc之类的函数取得的空间）。一般的CPU都有上述三种段寄存器，以方便操作系统的运行。这三个部分也是构成一个完整的执行序列的必要的部分。系统如果同时运行数个相同的程序，它们之间就不能使用同一个堆栈段和数据段。　　

    操作系统对进程管理，最典型的是通过进程表完成的。进程表里再通过一个称为“程序计数器（program counter, pc）”的寄存器来完成“上下文的切换”。(实际的上下文交换需要涉及到更多的数据，和fork无关，不再多说，PC主要用于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）。

    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。         PC用于指出当前占用 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)”

    下面继续说fork了。当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。它们的返回顺序是不确定的，取决于OS内的调度。如果想明确它们的执行顺序，就得实现“同步”，或者是使用vfork（）。这里假设父进程继续执行，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

                  printf("parent process, process id is %dn",getpid());  }

结果：

[root@localhost yezi]# ./a.out  child process, process id is 4286   //这里为什么会打印两结果呢？后面会解释 parent process, process id is 4285  

对于上面程序段有以下几个关键点：

(1)返回值的问题：

正确返回：父进程中返回子进程的pid，因此> 0；子进程返回0 错误返回：-1

     子进程是父进程的一个拷贝。即，子进程从父进程得到了数据段和堆栈段的拷贝，这些需要分配新的内存；而对于只读的代码段，通常使用共享内存的方式访问。父进程与子进程的不同之处在于：fork的返回值不同——父进程中的返回值为子进程的进程号，而子进程为0。只有父进程执行的getpid()才是他自己的进程号。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；

(2) fork返回后，子进程和父进程都从调用fork函数的下一条语句开始执行。这也是程序中会打印两个结果的原因。

     fork之后，操作系统会复制一个与父进程完全相同的子进程。不过这在操作系统看来，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。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。至于哪一个先运行，与操作系统的调度算法有关，而且这个问题在实际应用中并不重要，如果需要父子进程协同，可以通过原语的办法实现同步来加以解决。

    为了加深理解，看下面例子：

   main()       {           pid_t    a_pid, b_fork;           if(a_pid=fork()