Linux系统调用之fork，getpid，getppid函数（进程相关函数，与G老师的对话，必看！）

前言

如果，想要深入的学习Linux系统调用中的fork，getpid，getppid函数，还是需要去自己阅读Linux系统中的帮助文档。
具体输入命令：

man 2 fork/getpid/getppid

即可查阅到完整的资料信息。

fork函数

fork() 函数是 UNIX/Linux 系统中的一个系统调用 (system call)，它会创建一个新的进程，称为子进程，该子进程是原始进程的副本。

调用 fork() 后，两个进程都将从当前指令序列的下一条指令开始运行，但子进程完全复制了父进程的内存空间、打开文件等状态信息（子进程获得了对共享内存区域的独立控制权，即父进程和子进程之间不会相互干扰）。

我们可以通过返回值来区分是在哪个进程中。具体地讲，在父进程中，它返回子进程的 Process ID (PID) ，而在子进程中，它返回0.

fork()的函数原型是长这样的：

pid_t fork(void);

在使用这个函数之前，我们需要往C/C++文件中导入这些头文件：

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

下面用一个代码例子来演示一下fork函数的作用：

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

int main() {

    int num = 10;

    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();

    // 判断是父进程还是子进程
    if(pid > 0) {
        // printf("pid : %d\n", pid);
        // 如果大于0，返回的是创建的子进程的进程号，当前是父进程
        printf("i am parent process, pid : %d, ppid : %d\n", getpid(), getppid());

        printf("parent num : %d\n", num);
        num += 10;
        printf("parent num += 10 : %d\n", num);


    } else if(pid == 0) {
        // 当前是子进程
        printf("i am child process, pid : %d, ppid : %d\n", getpid(),getppid());
       
        printf("child num : %d\n", num);
        num += 100;
        printf("child num += 100 : %d\n", num);
    }

    // for循环
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("i : %d , pid : %d\n", i , getpid());
        sleep(1);
    }

    return 0;
}
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输出内容：

nowcoder@nowcoder:~/Linux/lession18$ cd "/home/nowcoder/Linux/lession18/" && gcc fork.c -o fork && "/home/nowcoder/Linux/lession18/"fork
i am parent process, pid : 29230, ppid : 28564
parent num : 10
parent num += 10 : 20
i : 0 , pid : 29230
i am child process, pid : 29231, ppid : 29230
child num : 10
child num += 100 : 110
i : 0 , pid : 29231
i : 1 , pid : 29230
i : 1 , pid : 29231
i : 2 , pid : 29230
i : 2 , pid : 29231
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在这个例子中，代表父进程的 if (pid > 0) 分支和代表子进程的 if (pid == 0) 分支会同时执行。

简单来说，fork() 的作用就是在程序中生成一个新的进程，这个新的进程和原有进程基本一致，除了 fork() 的返回值。这两个进程几乎是同时运行的。一般情况下，父进程将 fork() 的返回值保存，并通过这个唯一的返回值标识子进程。子进程也可以通过 getppid 获得其父进程的 PID.

实际上，更准确来说，Linux 的 fork() 使用是通过写时拷贝 (copy- on-write) 实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个进程的地址空间，而是让父子进程共享同一个地址空间。只用在需要写入的时候才会复制地址空间，从而使各个进行拥有各自的地址空间。也就是说，资源的复制是在需要写入的时候才会进行，在此之前，只有以只读方式共享。

大概就向图中一样：

注意：fork之后父子进程共享文件，
fork产生的子进程与父进程相同的文件文件描述符指向相同的文件表，引用计数增加，共享文件偏移指针。

getpid函数

获取当前进程的pid。这个pid与ps命令里显示的进程id一致。

getppid函数

获取当前进程的父进程的id。这个ppid与ps命令里显示的进程id一致。

忽如其来的问答 (以下部分对理解内存方面的一些东西非常重要）

问：

父进程fork以后，子进程共享父进程的文件描述符表，这句话怎么理解。
Linux系统是不是有一个机制叫做”读时共享，写时拷贝“的机制。那我是不是理解为，父进程fork以后，在没有写入之前，父子进程共享一个文件描述符表。但是，一旦父进程或者子进程任意一方只要开始执行写入操作以后，子进程就会复制父进程写入之前的文件描述符表，自己单独一份呢？你看我理解的对不对

答：

您对子进程共享父进程的文件描述符表的理解部分正确，但与“读时共享，写时拷贝”（Copy-on-Write）机制有一些混淆。让我分别解释这两个概念。

• 子进程共享父进程的文件描述符表：
  当父进程使用 fork 系统调用创建一个子进程时，子进程会继承父进程的文件描述符表。这意味着子进程会获得父进程打开的所有文件和 I/O 资源的文件描述符。实际上，子进程会得到父进程文件描述符表的一个副本。因此，它们并不是共享同一个文件描述符表，而是子进程拥有父进程文件描述符表的副本。然而，由于子进程和父进程的文件描述符都指向同一个文件或 I/O 资源，所以在某种程度上可以认为它们共享文件描述符。

• “读时共享，写时拷贝”（Copy-on-Write）机制：
  这是 Linux 系统在进行内存管理时所使用的一种优化技术。当父进程创建子进程时，操作系统并不会立即为子进程分配所有内存资源，而是让子进程和父进程共享相同的物理内存页。只有当父进程或子进程试图修改某个内存页时，系统才会复制该内存页，为执行写入操作的进程创建一个新的物理内存页。这样做的好处是节省内存资源，同时提高了 fork 操作的性能。

• 综上所述，父子进程在 fork 之后共享相同的文件描述符，但它们拥有各自的文件描述符表副本。

• 这与“读时共享，写时拷贝”机制不同，后者涉及的是内存管理方面的优化。

继续追问

问：

把这两点合在一起理解就是，当父进程fork了一个子进程后，子进程与父进程共享相同的内存页（也就是此时它们是真的在同一张共享文件描述符表）。只有当父进程或子进程试图修改某个内存页时，系统才会复制该内存页，为执行写入操作的进程创建一个新的物理内存页。（这个新的内存页也就是父进程内存页的一个副本，子进程拥有着这个新的内存页，这个内存页上面也有父进程文件描述符表的信息）我理解的对吗？

答：

您将两个概念联系在一起的理解有些混淆。实际上，文件描述符表与“读时共享，写时拷贝”机制是两个不同层面的概念。让我们再次澄清一下：

• 当父进程 fork 了一个子进程后，子进程会继承父进程的文件描述符表。实际上，子进程得到的是父进程文件描述符表的一个副本，而不是共享同一个文件描述符表。这意味着子进程和父进程的文件描述符表是相互独立的，但它们指向的文件和 I/O 资源是相同的。

• “读时共享，写时拷贝”机制是在内存管理层面进行的优化。这意味着父子进程在 fork 之后共享相同的物理内存页。只有当父进程或子进程试图修改某个内存页时，系统才会复制该内存页，为执行写入操作的进程创建一个新的物理内存页。这个过程与文件描述符表无关，涉及的是进程间内存资源的共享与复制。

• 总之，父子进程在 fork 之后并不共享同一个文件描述符表，而是各自拥有文件描述符表的副本。这与“读时共享，写时拷贝”机制是不同的，后者涉及的是进程间内存资源的共享与复制。

再再次追问

问：

那我重新理解一下，父进程fork以后，父子进程各自拥有着各自的文件描述符的副本，但他们此时共享着同一块内存的资源。
但当发生了写入操作了以后，系统会复制一份内存的资源，然后让父子进程各自拥有着各自的内存的资源。
你看我理解的对吗？

答：

您的理解基本正确，但需要注意的是，这里的内存资源指的是物理内存页。让我们再次总结一下：

• 当父进程 fork 一个子进程后，子进程会继承父进程的文件描述符表。实际上，子进程得到的是父进程文件描述符表的一个副本，而不是共享同一个文件描述符表。这意味着子进程和父进程的文件描述符表是相互独立的，但它们指向的文件和 I/O 资源是相同的。

• 在 fork 之后，父子进程会共享相同的物理内存页。这是“读时共享，写时拷贝”（Copy-on-Write）机制在内存管理层面的优化。

• 只有当父进程或子进程试图修改某个共享的物理内存页时，系统才会复制该内存页，为执行写入操作的进程创建一个新的物理内存页。这样，父子进程会各自拥有各自的内存资源。

• 所以，您的理解是正确的。父子进程在 fork 之后各自拥有各自的文件描述符表副本，同时共享物理内存页。当发生写入操作时，系统会复制内存页，让父子进程各自拥有各自的内存资源。

最后总结

我的总结

父进程fork之后，创建出了一个子进程。此时子进程与父进程共享相同的物理内存页。子进程拥有父进程文件描述符表的一个副本。（子进程与父进程不共享文件描述符表）
如果父进程执行写入操作，系统就会创建一个新的物理内存页给父进程，然后将原来的物理内存页上的内容拷贝到这个新的物理内存页上，然后再执行写入操作。
如果子进程执行写入操作，系统就会创建一个新的物理内存页给子进程，然后将原来的物理内存页上的内容拷贝到这个新的物理内存页上，然后再执行写入操作。
你看我理解的对吗？

老师的总结

是的，您的理解是正确的。在父进程 fork 之后：

子进程和父进程共享相同的物理内存页。
子进程拥有父进程文件描述符表的一个副本，它们各自有自己独立的文件描述符表。
当父进程或子进程执行写入操作时：

系统会为执行写入操作的进程（无论是父进程还是子进程）创建一个新的物理内存页。
将原来共享的物理内存页上的内容拷贝到新的物理内存页上。
在新的物理内存页上执行写入操作。
这种优化策略被称为“读时共享，写时拷贝”（Copy-on-Write），它可以在进程间共享资源的同时，有效地节省内存和提高性能。

最最最后一个问题

问：

最后问一下，这个物理内存页都记录了哪些信息呢？

答：

物理内存页（Physical Memory Page）是计算机内存管理的基本单位。在操作系统中，物理内存被划分为固定大小的页，通常为 4KB、2MB 或更大。物理内存页用于存储各种类型的数据和信息，包括：

程序代码：程序的可执行代码通常被加载到内存中，以便 CPU 能够直接访问和执行这些指令。

数据：程序运行时所需的各种数据，包括全局变量、静态变量等，都存储在内存中。这些数据可能在程序执行过程中被读取或修改。

堆内存：堆是一个动态内存分配区域，用于存储程序运行时动态分配的内存。堆内存的大小在程序运行过程中可能会发生变化，可以通过 malloc、calloc 等函数分配内存，通过 free 函数释放内存。

栈内存：栈是程序运行时的临时存储区，用于存储函数调用过程中的局部变量、函数参数以及返回地址等信息。栈内存由编译器自动分配和回收，具有后进先出（LIFO）的特点。

其他内核数据结构：操作系统会在内存中维护一些内核相关的数据结构，如进程控制块（PCB）、文件描述符表等，这些数据结构在操作系统中起着关键作用。

总之，物理内存页存储了程序执行所需的各种信息，如代码、数据、堆内存、栈内存等。这些信息在程序运行过程中可能被多个进程共享或独占。