进程的创建：fork()

引入

创建进程的方式我们已经学习了一个！在我们运行指令(或者运行我们自己写的可执行程序)的时候不就是创建了一个进程嘛？那个创建进程的方式称为指令级别的创建子进程！
那如果我们想要在代码中创建进程该怎么办呢？

fork()

fork 函数的使用，见见猪跑

这是一个系统调用函数，我们可以使用 man 指令来查看函数的说明文档！
在这里插入图片描述

介绍：这个函数可以为调用这个函数的进程创建一个进程，我们把这个新创建出来的进程叫做子进程，调用这个函数的进程称为父进程！
返回值：如果成功创建子进程，子进程的 PID 将被返回给父进程，0 将被返回给子进程；如果创建子进程失败，-1 将返回给父进程，错误码将被设置！

好的，我们不管这么多，先来用一用！

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0) //子进程
    {
        while(1)
        {
            printf("我是子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else if(id > 0) //父进程
    {
        while(1)
        {
            printf("我是父进程, pid: %d\n", getpid());
            sleep(1);
        }
    }
    else // 子进程创建失败
    {
        perror("fork():");
    }

    return 0;
}

在上面的代码中，我们创建了一个子进程，让子进程循环打印自己的 pid 和 ppid，让父进程循环打印自己的 pid 我们来验证一下通过 fork 函数创建出来的进程到底是不是调用该函数进程的子进程。
在这里插入图片描述

我们看到子进程的 ppid 是 4176994，父进程的 pid 是4176994。说明我们的结论没有问题呢！

看到这里，你可能会有很多问题🤔～不着急我们一个一个来解决！

问题一：

为什么 fork 要给子进程返回 0，给父进程返回子进程的 pid？

你想啊！一个进程只能调用一次 fork 函数嘛？显然不是的！我循环调用 fork 一百次，那么父进程应该如何区分这么多的子进程呢？那还不得靠返回值啦！
因此，fork 函数返回不同的值就是为了让父进程能够区分自己创建的子进程，从而让不同的执行流执行不同的代码！

问题二：

fork 函数究竟在干什么？干了什么？

我们在进程的概念部分知道了：进程 = PCB (进程控制块， Linux 环境下叫 task_struct) + 代码和数据。这也就意味着，task_struct 中必然维护着指针信息，能够通过 task_struct 找到进程的代码和数据！因为 linux 操作系统对进程的管理，本质上是对 task_struct 的管理。CPU 要执行进程的代码必须能通过 task_struct 找到进程的代码和数据！

在 fork 创建子进程的时候，操作系统首先为子进程创建 task_struct 结构体，并初始化结构体中的属性～但是，在初始化指向子进程代码和数据的指针的时候，应该怎么办呢？因为子进程并没有自己的代码和数据哇！那操作系统就说啦，子进程不是父进程创建的嘛，就让这个指针指向父进程的代码和数据吧！

于是，我们得出了一个重要的结论：fork 之后，父子进程的代码共享。
在这里插入图片描述

父进程为什么要创建子进程，不就是想让子进程来帮忙的嘛！因此，为了让父子进程执行不同的代码，就需要通过 fork 不同的返回值来实现！

问题三：

一个变量怎么会有不同的内容？如何理解？

在任何操作系统中，进程在运行的时候具有独立性！
其实根据常识也能证明：你的电脑上同时运行着 QQ 和微型这两个进程！突然 QQ 这个进程挂掉了！QQ 挂掉了会影响微信这个进程的运行嘛？显然是不会的！

在这里插入图片描述
在来看这张图，我们说 fork 之后，父子进程的代码和数据是共享的，我们又说进程之间是互相独立的！假设我们的子进程想要修改父进程中的数据怎么办呢？这种操作会被允许嘛？
我们先来写一个代码看看结论！

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int g_val = 100;

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0) //子进程
    {
        int cnt = 0;
        while(1)
        {
            printf("我是子进程, g_val = %d\n", g_val);
            cnt++;
            if(cnt == 3)
            {
                printf("change g_val\n");
                g_val = 200;
            }
            sleep(1);
        }
    }
    else if(id > 0) //父进程
    {
        while(1)
        {
            printf("我是父进程, g_val: %d\n", g_val);
            sleep(1);
        }
    }
    else // 子进程创建失败
    {
        perror("fork():");
    }

    return 0;
}

在上面的代码中我们定义了一个全局变量 g_val 在父子进程中每隔一秒打印 g_val 的值。在子进程中 3 秒之后将 g_val 修改了，我们观察父子进程打印 g_val 的结果有什么变化！
在这里插入图片描述
我们看到在子进程中，g_val 变成了 200，父进程中 g_val 还是 100。这是为什么呢？我们知道进程之间是具有独立性的！因为数据可能会被修改，这就注定了父子进程之间的数据是不能共享的！
那怎么办呢？在创建子进程的时候将父进程的数据拷贝一份给子进程？这样做的确没有任何问题！但是如果子进程都不对父进程的数据做修改，这不就白白给子进程拷贝了一份数据嘛！造成内存负担

于是操作系统说：当子进程要修改父进程的数据时，我再给你子进程拷贝数据吧！这个行为被称为：父子进程数据层面的写时拷贝。当操作系统检测到子进程要修改父进程的数据时，会为子进程重新分配一块内存空间！

因为代码不可能被修改，父子进程代码共享并不影响进程之间的独立性！

问题四：

一个函数是如何做到返回两次的？怎么理解？

首先，fork 是一个函数，在这个函数中负责为调用他的进程创建子进程，这个函数体的实现一定包含但不限于以下操作：

创建子进程的 task_struct。
填充 task_struct 的内容。
父子进程指向相同的代码。
修改子进程的状态。等等

当 fork 这个函数执行到 return 语句的时候，此时子进程一定已经被创建出来了！并且父子进程指向了相同的代码！而 return 本身也是代码哇！我们的代码：pid_t id = fork()，return 的本质不就是在向 id 这个变量中写入吗 (return 返回时，先把返回值写到 cpu 中的寄存器中，最后再把寄存器中的值拷贝到你接收到的变量中！)？子进程此时要修改 id 中的内容，是不是就得发生写时拷贝！因此，同一个 id 变量会有两个不同的值。