【Linux】理解父子进程（系统调用创建进程，fork函数，写时拷贝）

fork函数

返回值

内存分配

父子进程是操作系统一个重要的概念，特别是在多任务处理和并发编程中，在Linux中，每个进程都有一个唯一的进程ID，并且每个进程都有可能创建其他进程。当一个进程创建了一个新的进程时，新创建的进程就成为了原始进程的子进程。

同样用生活中的例子来理解。在一个家庭中（类比一个操作系统中），父母决定做晚饭（做饭就是一个进程），他们分配给孩子一个任务，让大儿子洗菜，小儿子烧水（洗菜和烧水就是两个子进程），父母和孩子之间相互协作，共同完成了这一顿晚饭，这就是父子进程之间相互协作和独立执行任务的特性。

fork函数

“fork()”函数是在Linux中用于创建新进程的系统调用之一。调用fork()函数时，操作系统会创建当前进程的一个副本，即子进程。

函数原型

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

fork函数的定义在unistd.h头文件中完成。

返回值

考虑一个问题：fork函数的返回值是什么呢？我们用下面这段代码来验证一下

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int main()
 {
    int ret = fork();
    printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    sleep(1);
    return 0;
 }

结果如下：

诶？明明应该只有一行输出结果，为什么这里会有两行呢，而且结果还不一样

事实上，这两行输出就是父子进程并发执行的结果。第一行是父进程的运行结果，此时的进程id（PID）是“65781”，fork的返回值是子进程id（PPID）“65782”；第二行是子进程的运行结果，fork返回值是“0”。

下面这段代码就可以更清晰地观察父子进程：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int main()
 {
    int ret = fork();
    if(ret < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0){ //child
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }else{ //father
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(1);
    return 0;
 }

运行结果如下：

内存分配

在fork函数调用之后，父进程和子进程都将拥有相同的内存空间映像，但它们是相互独立的。这意味着，当其中一个进程修改了内存中的数据，另一个内存不会受到影响。那么这是如何实现的呢？如果父子进程都指向同一块内存空间，那么数据的修改会互相影响，所以它们是指向两块不同的空间，只是这两块空间存放相同的数据，是这样吗？nonono，系统用了一个很聪明的方法，那就是写时拷贝。

写时拷贝是一种延迟复制技术，它使得在fork函数中进行子进程的创建时，实际上并不立即复制父进程的内存空间，而是等到子进程尝试修改其中某个页面时才进行复制。这样可以减少内存开销，提高效率，特别是当父子进程在大部分时间内只读取数据而不修改时。下面用一张图来加深理解：

下面用代码来验证fork函数的写时拷贝：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int x = 1;
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {
        // 子进程
		sleep(1);
		printf("x的值：%d，x的地址：%p\n",x,&x);
		x = 10; // 修改子进程的 x 值
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程
		x = 20; // 修改父进程的 x 值
		sleep(2);
		printf("x的值：%d，x的地址：%p\n",x,&x);
    } else {
        // fork() 调用失败
        fprintf(stderr, "fork() failed\n");
        return 1;
    }

    return 0;
}

这里的sleep()函数是为了达到父进程修改变量-->显示子进程信息，子进程修改变量-->显示父进程信息的进程效果，如果父子进程之间变量的修改没有互相影响，就说明进行了写时拷贝。

来看结果：