计算机系统基础学习心得（其二）——由绝望中新生（fork函数相关）_学习计算机系统基础的体会

距上一次写博客已经过去很久了，（这次也是要求的），不过这次的学习过程是真的就如标题一样，一开始万分绝望，当时的心境仿佛孑身一人于孤岛之上，放眼望去只有看不到边的海平面；而之后却也还是得到了新生，就仿佛眼见从那海平面上缓缓驶来一艘游船......

 

这一次的学习的主要内容是实操fork函数相关的代码，并对其进行分析。老实说对这个函数其实并不陌生，因为大一的操作系统课就曾学过了。但这么久以来，它就好像一个熟悉的陌生人一样（明明知道她的名字，却不知如何上前搭话），从那学期学完考完后就从来没有再用过它，所以也就才有了一开始的糗态。但真正动手了之后，才发现，它其实还蛮有趣的（有趣的灵魂）。

fork函数最重要，最有趣，也是最令人头痛的一点大概就是“一次调用，两次返回”了正是这个特性，使得代码仿佛有了生命一般，反复左右横跳，总让人捉摸不定。下面我们就直接用一些例子来说明吧。

Fork.c
 
#include <stdio.h>
#include<unistd.h>
 
 
pid_t Fork(void)
{
    pid_t pid;
    
    if((pid = fork()) < 0){
        printf("Fork error");
        exit(0)
    )
    return pid;
}

这个是之后所有例子都会用到的Fork函数的实现，简单说明一下：就是把原本的fork（）函数重新包装了一下，使其具有了当pid号出现明显错误（pid < 0）时，会进行报错并直接退出程序。

那么首先是第一个非常简单的例子：

fork.c
 
#include <stdio.h>
#include<unistd.h>
 
pid_t Fork();
int main(int argc, char *argv[]) 
{
    pid_t pid;
    int x = 1;
 
    pid = Fork(); //forkreturn
    if (pid == 0) {  /* Child */
	printf("child : x=%d\n", ++x); //childprint
	fflush(stdout);
	return 0;
    }
 
    /* Parent */
    printf("parent: x=%d\n", --x); //parentprint
    fflush(stdout);
    return 0;
}

这个例子的输出结果如下：

输出结果
 
 
parent: x=0
qioqio@ubuntu:~/homework/chap8_code$ child : x=2

当然这只是在我的电脑上输出的结果，如果自己去试的话，可能会与这个结果有所不同（可能先输出第二行再输出第一行）这是因为利用fork()函数生成的子进程和其父进程本质上是两个相互独立的进程，并不能确定谁会先运行（在我这是长辈腿长走得快）。

然后我们再来分析下这个例子：

        这个例子很简单，没有什么嵌套或者循环，就是顺序执行，而且只有一个fork()函数，那么就是程序运行到fork()函数后一分为二，变成一个子进程，一个父进程；子进程打印“child: x = 2”，进程结束；父进程打印“parent: x = 0”，进程结束。进程图如下所示：

然后之后是第二个例子：

forkx2.c
 
#include <stdio.h>
#include<unistd.h>
 
pid_t Fork();
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{
    pid_t pid;
    int x = 1;
 
    pid = Fork(); //forkreturn
    if (pid == 0) {  /* Child */
	printf("child : x=%d\n", ++x); 
	printf("child : x=%d\n", ++x); 
	fflush(stdout);
	return 0;
    }
 
    /* Parent */
    printf("parent: x=%d\n", --x);
    printf("parent: x=%d\n", --x);
    fflush(stdout);
    return 0;
}

这个例子在第一个例子上稍微进了一步，在每个进程上再增加了一次打印，所以输出结果是这样的：

输出结果
 
parent: x=0
parent: x=-1
qioqio@ubuntu:~/homework/chap8_code$ child : x=2
child : x=3
 

接下来还是来分析一下这个例子，这个例子还是只有一个fork()函数，所以还是一分为二，一个子进程，一个父进程。还是之前说的子进程和父进程本质上是两个独立的进程，所以它们所用的x值也是相互独立的，所以父进程打印的是"x = 0, x = -1"，子进程打印的是"x = 2, x = 3"。进程图如下所示：

接下来是下一个例子：

fork2.c
 
void fork2()
{
    printf("L0\n");
    fork();
    printf("L1\n");    
    fork();
    printf("Bye\n");
}

这个例子里没有用到Fork()（因为直接从老师那借来的），它较上两个例子就增加了一个fork()函数，所以难度也增加了一些，输出结果如下：

输出结果：
 
L0
L1
Bye
qioqio@ubuntu:~/homework/chap8_code$ Bye
L1
Bye
Bye

接下来照例是对这个例子的分析，这个例子里有两个fork() 函数，所以在第一次遇到fork() 函数一分为二后，在子进程和父进程中都还分别有一个fork() 函数，也就是还要再一次一分为二。在第一次遇到fork() 函数前，程序就有一个打印"L0"的函数，所以"L0"一定是第一个打印的。之后又到了子进程和父进程的时间，所以打印的结果也就会有很多种，在我这只是其中的一种，遇到第一个fork()后有一个打印"L1"的函数，所以接着会打印"L1"，然后再遇到第二个fork() 函数，再分别打印一次"Bye"。但切记不可能先打印"Bye"再打印"L1"，因为进程图都是线性的不能回转！然后这里没有标注父子进程的语句，所以我们也不得而知是哪个进程先进行。进程图如下所示：

然后是一个关于嵌套的例子：

fork4.c
 
void fork4()
{
    printf("L0\n");
    if (fork() != 0) {
	printf("L1\n");    
	if (fork() != 0) {
	    printf("L2\n");
	}
    }
    printf("Bye\n");
}

同样是从老师那借来的，所以也没用Fork()函数，在这个例子里有嵌套选择的存在，输出结果如下：

输出结果
 
L0
L1
L2
Bye
qioqio@ubuntu:~/homework/chap8_code$ Bye
Bye

照例的分析，因为存在嵌套选择，所以情况又有所不同，首先是在遇到fork() 函数之前打印的"L0",,然后就到了嵌套选择，第一次进行选择的条件是"fork() != 0", 然后我们知道对于fork() 函数来说子进程会返回0，而父进程会返回子进程的PID号，所以这个条件翻译过来就是“当此时不是子进程时”，就会执行"L1"的打印。然后再是同样的选择条件“fork() != 0”，则会打印"L2"，之后就跳出选择，再打印"Bye"。总结一下就是只有父进程会打印"L1"，然后父进程的父进程会打印"L2"其他就只会打印"Bye"。（其次注意这里只有第一次fork()产生的父进程才能进行第二次fork）进程图如下：

接下来我们连着看两个例子：

    首先是第一个：

forkprob1.c
 
#include <stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
 
pid_t Fork();
 
void doit()
{
    if(Fork() == 0){
        Fork();
        printf("hello\n");
	exit(0);
    }
    return;
}
 
int main()
{
    doit();
    printf("hello\n");
    exit(0);
}

    然后是第二个：

forkprob2.c
 
#include <stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
 
pid_t Fork();
 
void doit()
{
    if(Fork() == 0){
        Fork();
        printf("hello\n");
        return;
    }
    return;
}
 
int main()
{
    doit();
    printf("hello\n");
    exit(0);
}

怎么样，这两个例子乍眼看上去是不是好像完全一样（但如果一样我也不会放到这了），如果你再仔细看看的话，就会发现在两个例子里的doit() 函数里有一条语句是不同的，第一个例子if条件下是“exit(0)；”，而第二个例子下的则是“return；”也许你会想这两个不都是退出吗，有什么区别？但事实是第二个例子比第一个例子整整多打印了两个“hello”！！！输出结果如下：

forkprob1输出结果
 
hello
qioqio@ubuntu:~/homework/chap8_code$ hello
hello

forkprob6输出结果
 
hello
qioqio@ubuntu:~/homework/chap8_code$ hello
hello
hello
hello

但这是为什么呢？明明都是退出，得到的结果却如此之大。原因当然就是在这两个“退出”上，exit()是系统调用级别的，它表示了一个进程的结束；return是语言级别的，它表示了调用堆栈的返回。用更通俗的话来讲就是，exit()是进程的结束，而return只是函数的结束（当然如果把return放在主函数main里它的效果就和exit()一样了，因为此时是退出主函数，也就是整个程序）。那么放在我们这两个例子里是什么情况呢？因为doit() 函数里的if条件调用了Fork() 函数，所以两个例子都会进行一次fork，然后因为子进程满足if条件，那么子进程会执行if下的语句，再进行一次fork。然后第一个例子里子进程打印完“hello”后就调用exit()，这样子进程就不复存在了，也就不能再执行主函数里打印“hello”的语句；而在第二个例子里子进程打印完后仅仅是调用return语句返回退出当前的doit()函数，其本身依旧存在，所以还是能执行主函数里打印“hello”的语句，所以就会多出两个“hello”了。以下为进程图：

例子1：

例子2：

至此，本次的学习笔记就告一段落了，总之能把fork弄明白真是太好了！