嵌入式Linux系统编程 — 7.4 fork、vfork函数创建子进程

目录

1 父进程与子进程概念

2 fork创建子进程

3  系统调用 vfork()函数

4 vfork与 fork函数如何选择


1 父进程与子进程概念

进程与子进程是操作系统中的一个基本概念,用于描述进程之间的层级关系。下面是对这一概念的简要说明:

  • 父进程:在操作系统中,创建新进程的现有进程被称为父进程。父进程可以生成一个或多个子进程,并且通常在子进程执行期间继续运行。

  • 子进程:由父进程创建的进程称为子进程。子进程可以是父进程的一个副本,继承父进程的某些资源和属性,也可以是完全不同的进程,执行不同的任务。

父进程与子进程有如下的关系:

  • 父子关系:子进程通常继承父进程的资源,如文件描述符、环境变量等,但它们拥有自己的地址空间和代码执行路径。父进程和子进程可以通过进程间通信(IPC)机制进行数据交换,如管道、消息队列、共享内存等。

  • 生命周期:子进程的生命周期可以独立于父进程,即使父进程结束,子进程也可以继续运行,如果父进程没有等待子进程就终止了,子进程会变成“僵尸进程”,直到被操作系统回收。

2 fork创建子进程

在诸多的应用中,创建多个进程是任务分解时行之有效的方法,譬如,某一网络服务器进程可在监听客户端请求的同时,为处理每一个请求事件而创建一个新的子进程,与此同时,服务器进程会继续监听更多的客户端连接请求。在一个大型的应用程序任务中,创建子进程通常会简化应用程序的设计,同时提高了系统的并发性。

一个现有的进程可以调用 fork()函数创建一个新的进程, 调用 fork()函数的进程称为父进程,由 fork()函数创建出来的进程被称为子进程 , fork()函数原型如下所示:

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);
  • 返回值fork() 调用在父进程中返回子进程的 PID,在子进程中返回 0。

下面是 fork() 函数的示例程序,使用它来创建一个新的进程: 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // 包含fork函数的头文件

int main() 
{
    int pid = fork(); // 创建新进程

    if (pid < 0) {
        // fork失败
        fprintf(stderr, "Fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 这是子进程
        printf("This is the child process. PID: %d\n", getpid());
    } else {
        // 这是父进程
        printf("This is the parent process. PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), pid);
    }

    // 父进程和子进程都可以继续执行以下代码
    printf("Parent and child continue to execute...\n");

    return 0;
}

fork() 调用会返回两次:一次在父进程中,返回子进程的PID;一次在子进程中,返回0。如果 fork() 调用失败,它会在父进程中返回一个负值。

3  系统调用 vfork()函数

vfork()是Linux系统中的一个系统调用,用于创建一个新的进程。与 fork() 函数不同,vfork() 创建的子进程会立即暂停,直到父进程调用 exec() 系列函数或者子进程退出。这种特性使得 vfork() 适合于那些创建子进程后立即调用 exec() 替换子进程映像的场景,因为它避免了父进程和子进程之间的上下文切换。vfork()函数原型如下所示:

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

pid_t vfork(void);

下面是一个使用 vfork() 的简单示例程序:

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

int main() 
{
    pid_t pid = vfork(); // 创建新进程

    if (pid < 0) {
        // vfork失败
        perror("vfork failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 这是子进程,应该尽快调用exec()系列函数
        // 这里使用execl()作为示例
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
        // 如果execl调用失败,输出错误信息并退出
        perror("execl failed");
        _exit(EXIT_FAILURE);
    } else {
        // 这是父进程
        printf("This is the parent process. PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), pid);
    }

    // 父进程的其他代码可以继续执行

    return 0;
}

如果 vfork() 成功,它会返回子进程的PID给父进程,返回0给子进程。如果调用失败,它会返回-1给父进程,并设置 errno 以指示错误。程序的运行结果如下:

  1. 父进程的进程ID(PID)是 5321。
  2. 子进程的进程ID(PID)是 5322。
  3. 子进程执行了 ls -l 命令,列出了当前目录下的文件和目录。

4 vfork与 fork函数如何选择

vfork()与 fork()函数主要有以下两个区别:

  • vfork()与 fork()一样都创建了子进程,但 vfork()函数并不会将父进程的地址空间完全复制到子进程中,因为子进程会立即调用 exec(或_exit) ,于是也就不会引用该地址空间的数据。不过在子进程调用 exec 或_exit 之前,它在父进程的空间中运行、 子进程共享父进程的内存。这种优化工作方式的实现提高的效率; 但如果子进程修改了父进程的数据、进行了函数调用、或者没有调用 exec 或_exit 就返回将可能带来未知的结果。
  • 另一个区别在于, vfork()保证子进程先运行, 子进程调用 exec 之后父进程才可能被调度运行。

虽然 vfork()系统调用在效率上要优于 fork(),但是 vfork()可能会导致一些难以察觉的程序 bug,所以尽量避免使用 vfork()来创建子进程,虽然 fork()在效率上并没有 vfork()高,但是现代的 Linux 系统内核已经采用了写时复制技术来实现 fork(),其效率较之于早期的 fork()实现要高出许多,除非速度绝对重要的场合,我们的程序当中应舍弃 vfork()而使用 fork()。
 

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