Fork 在 C 中是如何工作的

Fork 是 C 语言中一个重要的系统调用，它用于创建一个新的进程。新进程和原进程在执行过程中是完全独立的，拥有自己的内存空间与 CPU 时间分配。本篇文章将介绍 Fork 在 C 中的工作原理。

fork() 函数

Fork 函数的原型如下：

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

fork() 函数会调用一次，但会返回两次不同的返回值。对于新创建的子进程，fork() 返回 0；而对于原进程，fork() 返回新进程的进程 ID（PID）。

Fork 的工作原理

在调用 Fork 函数创建新进程时，操作系统会复制原进程的所有地址空间、代码、数据与内存将它们复制到新进程的地址空间中，同时给新进程分配一个新的 PID。此时，新进程和原进程所执行的代码和数据虽然完全独立，但是在代码和数据的物理存储空间却是共享的。以下是具体的流程：

1. 首先，原进程调用 fork() 函数并创建一个新的进程。
2. 然后，新进程被赋予了一个新的PID号，并拥有了一份和原进程相同的代码和数据的虚拟空间。
3. 接着，在新进程中，堆和栈中的数据被进行了复制（即数据快照）并被设置成原进程的副本。但是，这些数据在物理存储空间中是不共享的，这个新的进程只是原始进程的一个准确的镜像。
4. 最后，新的进程获取了一份原始进程文件描述符表的拷贝，这样它就可以操作文件。

由于 fork () 返回两次，一次返回新进程的 PID，一次返回 0，因此可以通过返回值来判断当前代码运行在哪个进程中。

示例代码

以下是一个简单的示例代码，演示了父子进程间的通信和 fork() 返回两次的原理：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main () {
    pid_t pid;
    int status;

    printf("I'm the parent process with PID = %d\n", getpid());
    pid = fork();

    if (pid == 0) {
        printf("I'm the child process with PID = %d\n", getpid());
        exit(0);
    }
    else if (pid > 0) {
        printf("I'm the parent process with PID = %d and my child is PID = %d\n", getpid(), pid);
        waitpid(pid, &status, 0);
        printf("My child process %d terminated with status %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));
    }
    else {
        printf("Fork failed!\n");
        return 1;
    }

    printf("Will this line be printed twice by parent and child?\n");
    return 0;
}

该程序打印的输出如下：

I'm the parent process with PID = 1234
I'm the child process with PID = 1235
I'm the parent process with PID = 1234 and my child is PID = 1235
My child process 1235 terminated with status 0
Will this line be printed twice by parent and child?
I'm the parent process with PID = 1234
Will this line be printed twice by parent and child?

从上述输出可以看出，程序首先打印 "I'm the parent process with PID = 1234"，随后通过 fork() 又创建了一个新的进程，并在其内部打印了 "I'm the child process with PID = 1235"。父进程根据 fork() 返回值区分子进程和父进程，并在两种情况下输出不同的信息。其后，父进程等待了子进程的结束，并打印了相应的进程状态。最后，原始父进程打印了一条语句，并返回到操作系统。

结论

Fork() 是 Linux 操作系统中最常用的系统调用之一。它基于『复制』技术，在创建子进程的同时，将原始进程的数据和代码复制，创建一个几乎完全相同的新进程。新进程和原进程是完全独立的，但又共享一部分物理内存。因此，子进程可以操作父进程内的数据和代码，反之亦然。在程序执行期间，可以使用 getpid () 函数来获取当前进程的 PID，判断代码运行的是哪个进程。