前言

在linux系統(tǒng)中，進程是操作系統(tǒng)最重要的執(zhí)行單元，而父子進程的創(chuàng)建與管理更是系統(tǒng)資源分配和任務并行的關鍵。通過fork函數(shù)，linux能夠快速高效地復制一個進程，使得父子進程協(xié)同工作成為可能。理解父子進程的運行機制不僅有助于掌握系統(tǒng)編程的核心技能，更能為優(yōu)化資源利用與提高程序性能提供理論基礎。本文將帶你從基礎原理出發(fā)，解析linux父子進程的運行特性、fork的核心機制及其在實際開發(fā)中的應用。

一、進程PID

PID 是用來唯一標識一個進程的屬性，我們可以使用 ps 指令查看一個進程的部分屬性。進程的屬性信息是由操作系統(tǒng)來維護的，這些信息被存儲在一個 task_struct 結(jié)構體中，屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核中的數(shù)據(jù)。由于操作系統(tǒng)本身是不相信用戶的，所以用戶無法直接去訪問 task_struct 對象中的成員，因此 ps 指令能夠顯示進程的屬性信息，本質(zhì)上是通過系統(tǒng)調(diào)用接口去實現(xiàn)的。

1.1 通過系統(tǒng)調(diào)用接口查看進程PID

獲取進程的 PID 需要用到系統(tǒng)調(diào)用接口 getpid() ，該函數(shù)會返回調(diào)用該函數(shù)的進程的 PID，返回值類型為 pid_t 。如下圖我們使用 man getpid 指令去查看 getpid 的基礎文檔：

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注意上圖中還有一個 getppid 是什么呢？不難猜到，這應該是用來獲取父進程 PID 的系統(tǒng)調(diào)用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。 注意上圖中還有一個 getppid 是什么呢？不難猜到，這應該是用來獲取父進程 PID 的系統(tǒng)調(diào)用接口，接下來我們寫段代碼來具象化 PID 吧。

代碼語言：JavaScript代碼運行次數(shù)：0運行復制

#include <stdio.h>    #include <unistd.h>    #include <sys>    int main()    {        while(1)        {            printf("I am a process, my id is: %d, parent id is: %dn", getpid(), getppid());                                          sleep(1);        }        return 0;    }</sys></unistd.h></stdio.h>

我們可以寫一個腳本來實時獲取上面這段代碼執(zhí)行起來后的進程信息。

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可以看到，我一個將這段代碼執(zhí)行了兩次，每一次的子進程 PID 都在發(fā)生變化，但是父進程的 PID 從未更改。

為了保證數(shù)據(jù)的準確性，我們再使用 ps 指令對比以下獲取到的進程 PID 是否真的一樣。

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復制

while :; do ps axj | head -1 ; ps axj |grep process | grep -v grep ;  sleep 1 ; done

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結(jié)論：我們用 getpid 和 getppid 得到的父子進程的 PID 和 ps 指令獲取到的進程 PID 是一樣的

二、通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進程-fork初識

之前我們自己創(chuàng)建進程都是通過寫一份源代碼，然后去編譯運行，最終得到一個進程，今天給大家介紹另一種通過系統(tǒng)調(diào)用接口 fork 去創(chuàng)建進程的方式。一樣的，我們使用 man fork 去查看一下 fork 的相關文檔：

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大致意思就是：fork 函數(shù)會以調(diào)用該函數(shù)的進程作為父進程去創(chuàng)建一個子進程.

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創(chuàng)建成功時，會在父進程中返回子進程的 PID ，在子進程中返回 0 。否則就在父進程中返回 -1 ，子進程創(chuàng)建失敗。

2.1 調(diào)用fork函數(shù)后的現(xiàn)象代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復制

#include <stdio.h>      #include <unistd.h>      #include <sys> int main()                                                           {        printf("before:only one linen");        fork();        printf("after:only one linen");            return 0;    }</sys></unistd.h></stdio.h>

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如上圖所示，fork 后面的代碼執(zhí)行了兩次！這是什么原因呢？我們再寫一段代碼跑跑。

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復制

#include <stdio.h>      #include <unistd.h>      #include <sys> int main()    {        printf("begin:我是一個進程，pid：%d, ppid：%dn",getpid(), getppid());            pid_t id = fork();        if(id &gt; 0)        {            while(1)            {                printf("我是父進程,pid：%d,ppid：%dn",getpid(),getppid());                sleep(1);            }        }        else if(id == 0)        {            while(1)            {                printf("我是子進程,pid：%d,ppid：%dn",getpid(),getppid());                sleep(1);            }        }        else        {            perror("子進程創(chuàng)建失敗！n");        }         return 0;    }</sys></unistd.h></stdio.h>

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通過結(jié)果我們可以得出，在上面的一份代碼中 id 大于0和 id 等于0同時存在， if 和 else if 同時滿足，并且有兩個死循環(huán)在同時跑。這個現(xiàn)象說明此時一定存在兩個進程，即原來的 myprocess 進程和在 myprocess 進程中創(chuàng)建的子進程，因為在一個進程中 if 和 else if 是不可能同時滿足的。這也符合 fork 函數(shù)創(chuàng)建子進程的目的，fork 函數(shù)創(chuàng)建子進程后，會從原來的一個執(zhí)行流變成兩個執(zhí)行流。

2.2 為什么fork要給子進程返回0，給父進程返回子進程 pid？1. fork 返回值的設計目的

fork 是 unix 系統(tǒng)中用于創(chuàng)建新進程的核心系統(tǒng)調(diào)用。調(diào)用一次 fork，系統(tǒng)會“分裂”出兩個進程：父進程和子進程。它的返回值有以下特點：

在父進程中：fork 返回新創(chuàng)建的子進程的 PID，使得父進程可以通過該 PID 來管理和操作子進程（如使用 wait 或 kill 等操作）。在子進程中：fork 返回 0，標識自己是子進程，無需再通過 PID 區(qū)分。

這種設計的核心目的正如您提到的，用于區(qū)分不同執(zhí)行流，即便父子共享同一套代碼，也可以根據(jù)返回值選擇性地執(zhí)行不同代碼。

2. 現(xiàn)實類比的深入解讀父親喊“兒子”：如果不區(qū)分，所有子進程都會響應，導致混亂。通過分配唯一的 PID，每個子進程可以被單獨識別。子進程喊“爸爸”：由于每個子進程只能有一個父進程，所以子進程通過調(diào)用 getppid() 即可找到其唯一的父進程。3. 為什么子進程返回值為 0簡單區(qū)分：子進程無需知道自己的 PID 來執(zhí)行自己的任務，而只需通過返回值 0 知道自己是子進程。效率和邏輯一致性：如果子進程也返回自己的 PID，會引入額外的復雜性，而且父進程需要一個單獨機制區(qū)分這些值。2.3 一個函數(shù)是如何做到返回兩次的？如何理解？

在調(diào)用 fork 函數(shù)之前就只有一個進程，我們先來回顧一下什么是進程？進程 = 內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構 + 代碼和數(shù)據(jù)，其中的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構就是進程對應的 PCB 對象。

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進程的 PCB 對象會找到相應的代碼和數(shù)據(jù)，然后 CPU 就要去調(diào)度這個進程，也就是找到該進程的代碼和數(shù)據(jù)去執(zhí)行。調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建子進程，本質(zhì)上是操作系統(tǒng)多了一個進程，因此 fork 函數(shù)創(chuàng)建出來的子進程，它要先創(chuàng)建自己的 PCB 對象，子進程的 PCB 對象大部分都是以父進程的 PCB 對象為模板創(chuàng)建的，即從父進程的 PCB 對象中拷貝過來，再對部分屬性稍作修改，子進程的 PCB 對象就有了。但是它沒有自己的代碼和數(shù)據(jù)，所以只能用父進程的，所以 fork 函數(shù)之后，父子進程的代碼共享，這就解釋了為什么上面 fork 函數(shù)之后的代碼輸出了兩次，其實就是父子進程各自執(zhí)行了一次。

創(chuàng)建子進程的目的就是為了幫助父進程做不同的事情，但是父子進程共享一份代碼，所以我們應該在代碼中對它們加以區(qū)分。fork 函數(shù)就幫我們完成了這個需求，它會在父子進程中返回不同的值，用戶只需要根據(jù)返回值的不同讓父子進程執(zhí)行不同的代碼。 fork 函數(shù)的實現(xiàn)過程：

創(chuàng)建子進程創(chuàng)建子進程的PCB填充PCB對應的內(nèi)容讓子進程和父進程指向同樣的代碼此時父子進程都有獨立的task_struct對象，可以被CPU調(diào)度運行了return ret;

由于父子進程會共享一份代碼，所以在 fork 函數(shù)執(zhí)行 return 語句之前，子進程的 PCB 對象就已經(jīng)被創(chuàng)建出來了，CPU 已經(jīng)可以去同時調(diào)度父子進程。由于 fork 函數(shù)中的 return 語句也是被共享的，所以 fork 函數(shù)有兩個返回值。

2.4 一個變量怎么會有不同的內(nèi)容？1. fork 的返回值如何寫入不同的變量空間

當調(diào)用 fork 時，父進程與子進程會各自接收一個返回值，并且寫入同名變量 id。但這并不意味著他們共享同一塊內(nèi)存，而是因為：

獨立的進程地址空間 每個進程都有自己獨立的虛擬地址空間。在 fork 之后，父進程與子進程的地址空間是彼此獨立的。盡管子進程初始時看起來與父進程完全相同，但實際上它們的數(shù)據(jù)是分離的。寫時拷貝（COW）機制 操作系統(tǒng)為提高效率并節(jié)省資源，采用了寫時拷貝技術。在 fork 之后： 父子進程共享同一份內(nèi)存數(shù)據(jù)，直到有一方嘗試修改這些數(shù)據(jù)。當某個進程試圖修改數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)會為該進程分配新的物理內(nèi)存空間，并將被修改的數(shù)據(jù)復制到新分配的空間中。2. fork 中變量 id 的本質(zhì)

在代碼中，變量 id 是存儲 fork 返回值的地方。以下幾點解釋了為什么同名變量可以存儲不同的值：

父子獨立運行 fork 返回后，父子進程的執(zhí)行路徑分開。父進程的 id 變量存儲的是子進程的 PID，而子進程的 id 變量存儲的是 0。不同的內(nèi)存空間 由于父子進程的地址空間獨立，id 實際上存在于兩塊不同的內(nèi)存區(qū)域，即父進程的 id 和子進程的 id 是完全獨立的變量。賦值過程 fork 的返回值通過操作系統(tǒng)寫入到父子進程各自的 id 變量中： 父進程在 return 時向 id 寫入子進程的 PID。子進程在 return 時向 id 寫入 0。

結(jié)語

Linux父子進程的運行機制展示了操作系統(tǒng)設計的高效性與靈活性。從fork的返回值設計到寫時拷貝（COW）的優(yōu)化方案，這一切都體現(xiàn)了Linux在性能與資源利用上的巧妙平衡。通過深入理解父子進程的特性，不僅能夠提升系統(tǒng)編程的能力，還能為并發(fā)和并行程序設計提供堅實的理論支持。希望本文能為你的學習和實踐帶來啟發(fā)，在Linux系統(tǒng)的探索中邁向更高的層次。

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