从一道面试题谈linux下fork的运行机制

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今天一位朋友去一个不错的外企面试linux开发职位，面试官出了一个如下的题目：

????? 给出如下C程序，在linux下使用gcc编译：

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)
http://www.CodeHighlighter.com/

--> 1 #include "stdio.h"
 2 #include "sys/types.h"
 3 #include "unistd.h"
 4 
 5 ?int main()
 6 {
 7     pid_t pid1;
 8     pid_t pid2;
 9 
10     pid1 = fork();
11     pid2 = fork();
12 
13     printf("pid1:%d, pid2:%d\n", pid1, pid2);
14 }

????? 要求如下：

????? 已知从这个程序执行到这个程序的所有进程结束这个时间段内，没有其它新进程执行。

????? 1、请说出执行这个程序后，将一共运行几个进程。

????? 2、如果其中一个进程的输出结果是“pid1:1001, pid2:1002”，写出其他进程的输出结果（不考虑进程执行顺序）。

????? 明显这道题的目的是考察linux下fork的执行机制。下面我们通过分析这个题目，谈谈linux下fork的运行机制。

预备知识

????? 这里先列出一些必要的预备知识，对linux下进程机制比较熟悉的朋友可以略过。

????? 1、进程可以看做程序的一次执行过程。在linux下，每个进程有唯一的PID标识进程。PID是一个从1到32768的正整数，其中1一般是特殊进程init，其它进程从2开始依次编号。当用完32768后，从2重新开始。

????? 2、linux中有一个叫进程表的结构用来存储当前正在运行的进程。可以使用“ps aux”命令查看所有正在运行的进程。

????? 3、进程在linux中呈树状结构，init为根节点，其它进程均有父进程，某进程的父进程就是启动这个进程的进程，这个进程叫做父进程的子进程。

????? 4、fork的作用是复制一个与当前进程一样的进程。新进程的所有数据（变量、环境变量、程序计数器等）数值都和原进程一致，但是是一个全新的进程，并作为原进程的子进程。

解题的关键

????? 有了上面的预备知识，我们再来看看解题的关键。我认为，解题的关键就是要认识到fork将程序切成两段。看下图：

????? 上图表示一个含有fork的程序，而fork语句可以看成将程序切为A、B两个部分。然后整个程序会如下运行：

????? step1、设由shell直接执行程序，生成了进程P。P执行完Part. A的所有代码。

????? step2、当执行到pid = fork();时，P启动一个进程Q，Q是P的子进程，和P是同一个程序的进程。Q继承P的所有变量、环境变量、程序计数器的当前 值。

????? step3、在P进程中，fork()将Q的PID返回给变量pid，并继续执行Part. B的代码。

????? step4、在进程Q中，将0赋给pid，并继续执行Part. B的代码。

????? 这里有三个点非常关键:

????? 1、P执行了所有程序，而Q只执行了Part. B，即fork()后面的程序。（这是因为Q继承了P的PC-程序计数器）

????? 2、Q继承了fork()语句执行时当前的环境，而不是程序的初始环境。

????? 3、P中fork()语句启动子进程Q，并将Q的PID返回，而Q中的fork()语句不启动新进程，仅将0返回。

解题

????? 下面利用上文阐述的知识进

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行解题。这里我把两个问题放在一起进行分析。

????? 1、从shell中执行此程序，启动了一个进程，我们设这个进程为P0，设其PID为XXX（解题过程不需知道其PID）。

????? 2、当执行到pid1 = fork();时，P0启动一个子进程P1，由题目知P1的PID为1001。我们暂且不管P1。

????? 3、P0中的fork返回1001给pid1，继续执行到pid2 = fork();，此时启动另一个新进程，设为P2，由题目知P2的PID为1002。同样暂且不管P2。

????? 4、P0中的第二个fork返回1002给pid2，继续执行完后续程序，结束。所以，P0的结果为“pid1:1001, pid2:1002”。

????? 5、再看P2，P2生成时，P0中pid1=1001，所以P2中pid1继承P0的1001，而作为子进程pid2=0。P2从第二个fork后开始执行，结束后输出“pid1:1001, pid2:0”。

????? 6、接着看P1，P1中第一条fork返回0给pid1，然后接着执行后面的语句。而后面接着的语句是pid2 = fork();执行到这里，P1又产生了一个新进程，设为P3。先不管P3。

????? 7、P1中第二条fork将P3的PID返回给pid2，由预备知识知P3的PID为1003，所以P1的pid2=1003。P1继续执行后续程序，结束，输出“pid1:0, pid2:1003”。

????? 8、P3作为P1的子进程，继承P1中pid1=0，并且第二条fork将0返回给pid2，所以P3最后输出“pid1:0, pid2:0”。

????? 9、至此，整个执行过程完毕。

????? 所得答案：

????? 1、一共执行了四个进程。（P0, P1, P2, P3）

??????2、另外几个进程的输出分别为：

??????pid1:1001, pid2:0

????? pid1:0, pid2:1003

????? pid1:0, pid2:0

????? 进一步可以给出一个以P0为根的进程树：