016 进程控制 —— 进程创建

进程控制 —— 进程创建

一、fork() 函数基础

1. fork() 的作用

  • 创建子进程：通过复制父进程的地址空间生成一个新进程。
  • 调用一次，返回两次：
    • 父进程返回子进程的 PID（即 > 0 or 正数）。
    • 子进程返回 0。
    • 失败返回 -1。
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pid_t fork(void);

2. 写时拷贝（Copy-On-Write, COW）

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  • 机制：fork 时不会立刻复制父进程的所有内存页。fork() 后，父子进程 共享物理内存（共享内存页（只读）），直到一方尝试修改数据时，内核才复制该内存页。

    • 修改时触发“页错误”
    • 操作系统才会为该进程分配新的物理页，完成“真正拷贝”

  • 优点：

    • 提升效率： 减少 fork() 的开销（避免立即复制全部内存）。
    • 节省内存开销： 节省物理内存（共享未修改的页）。

[!NOTE]

通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图：

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二、代码示例

示例 1：基础 fork() 使用

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#define N 5
int main()
{
    printf("pid:%d before!\n", getpid());  // fork 调用前，打印一次
    fork();                                // 创建子进程
    printf("pid:%d after!\n", getpid());   // 父子进程都会执行这一句

    return 0;
}

运行结果：

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说明：
pid:31612 before!      # 父进程打印
pid:31612 after!       # 父进程打印
pid:31613 after!       # 子进程打印（PID不同）

关键点：

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  • fork() 前的代码仅父进程执行，之后的代码父子进程均执行。
  • 父子进程的 printf 输出顺序不确定，由调度器决定。

示例 2：循环创建多个子进程

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>              // 定义 pid_t 类型
#include <unistd.h>                 // 定义 fork() 函数
#define N 5
void runChild()
{
    int cnt = 10;
    while (cnt)
    {
        printf("我是子进程：%d，ppid:%d\n", getpid(), getppid());
        sleep(1);
        cnt--;
    }
}

int main()
{
    int i = 0;					    // 避免 C99 不支持报错
    for (i = 0; i < N; i++)
    {
        pid_t pid = fork();			// 创建子进程
        if (pid == 0)               // 子进程进入
        {
            runChild();             // 子进程执行任务
            exit(0);                // 子进程退出，防止继续 fork
        }
        else if (pid < 0)           // fork失败
        {
            perror("fork");
            exit(1);
        }
        // 父进程继续循环
    }

    return 0;
}

运行结果：

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我是子进程：1761, ppid:1760
我是子进程：1762, ppid:1760
我是子进程：1763, ppid:1760 
我是子进程：1764, ppid:1760
我是子进程：1765, ppid:1760
(每个子进程完成10次输出后)

关键点：

  1. 子进程立即退出循环：通过 if (pid == 0) 确保子进程执行 runChild() 后调用 exit(0)，避免子进程继续 for 循环。
  2. 父进程管理子进程：父进程在循环中创建所有子进程后退出。但是父进程没有调用 wait 回收子进程，子进程结束后将变成僵尸进程。
  3. 并发执行：所有子进程同时运行，输出顺序交错（由调度器决定）。

三、fork() 常见问题

1. fork() 失败的原因

  • 系统限制：进程数超过 RLIMIT_NPROC 限制。
  • 内存不足：无法复制页表或分配 PID。
  • 资源耗尽：如内核进程表满。

如果 fork() 返回 -1，通常是以下原因：

原因 描述
进程数超出限制 系统有最大进程数限制（ulimit -u）
内存不足 无法分配页表或必要资源
权限问题 某些系统限制普通用户创建大量进程
系统负载过高 为了保护系统稳定性，内核可能拒绝 fork

建议加上错误处理：

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if (pid < 0)
{
    perror("fork failed");
    exit(1);
}

2. 避免子进程成为僵尸

  • 父进程需调用 wait() 或 waitpid() 回收子进程资源。
  • 或忽略 SIGCHLD 信号：
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    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 自动回收子进程

3. 父子进程共享的资源

  • 共享：
    • 文件描述符（打开的文件）。
    • 信号处理函数（但信号掩码独立）。
  • 独立：
    • 内存数据（因 COW 机制）。
    • 进程 ID、父进程 ID。

四、进阶用法

1. 父子进程分工

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pid_t pid = fork();
if (pid == 0)
{
    execvp("ls", (char* []) { "ls", "-l", NULL });  // 子进程执行任务
}
else
{
    wait(NULL);                                     // 父进程等待子进程
}

2. 链式创建进程

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for (int i = 0; i < N; i++)
{
    if (fork() == 0)
    {
        printf("Child %d\n", i);
        exit(0);
    }
}