fork（）函数的底层实现原理_综合

在之前的博客进程控制【创建、等待、终止和替换】 - CSDN博客 https://blog.csdn.net/qq_37964547/article/details/79720027中只是简单的讲到了fork函数，但并没有深入，今天在复习知识的时候，就把fork函数重新学习了一遍，做了一下总结。
在Linux中，fork函数是非常重要的函数，他从一个已存在的进程中创建一个新进程；新进程为子进程，而原进程称为父进程。接下来我们一起来系统的解析一下fork函数的调用原理：

1、fork函数原型

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

返回值：
pid_t 是进程描述符，实质就是一个int，如果fork函数调用失败，返回一个负数，调用成功则返回两个值：0和子进程ID。
函数功能：
以当前进程作为父进程创建出一个新的子进程，并且将父进程的所有资源拷贝给子进程，这样子进程作为父进程的一个副本存在。父子进程几乎时完全相同的，但也有不同的如父子进程ID不同。
需要注意的是：
当fork系统调用成功时，它会返回两个值：一个是0，另一个是所创建的新的子进程的ID（>0）。当fork成功调用后此时有两个数据相同的父子进程，我们可以通过fork的返回值来判断接下来程序是在执行父进程还是子进程。

id==0：执行子进程
id>0：在父进程中执行
id<0：fork函数调用失败

2、fork函数的底层实现原理

fork()系统调用通过复制一个现有进程来创建一个全新的进程。进程被存放在一个叫做任务队列的双向循环链表当中，链表当中的每一项都是类型为task_struct称为进程描述符的结构，也就是我们写过的进程PCB.
Tips：内核通过一个位置的进程标识值或PID来标识每一个进程。//最大值默认为32768，short int短整型的最大值.，他就是系统中允许同时存在的进程最大的数目。
可以到目录 /proc/sys/kernel中查看pid_max：

当进程调用fork后，当控制转移到内核中的fork代码后，内核会做4件事情:
1、分配新的内存块和内核数据结构给子进程

2、将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程

3、添加子进程到系统进程列表当中

4、fork返回，开始调度器调度
在这里有一个疑问，那么fork函数在底层到底做了什么呢？
Linux平台通过clone()系统调用实现fork()。 fork()，vfork()和clone()库函数都根据各自需要的参数标志去调用clone()，然后由clone()去调用do_fork()，再然后do_fork()完成了创建中的大部分工作，该函数调用copy_process().做最后的那部分工作。具体的图解是借用一位写的非常好的大神的博客https://blog.csdn.net/Dawn_sf/article/details/78709839

那么fork函数为什么是一次调用，却返回了两次呢？
- 当程序执行到下面的语句： pid=fork();
- 由于在复制时复制了父进程的堆栈段，所以两个进程都停留在fork函数中，等待返回。因此fork函数会返回两次，一次是在父进程中返回，另一次是在子进程中返回，这两次的返回值是不一样的。
  fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：
  
  1）在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID；
  2）在子进程中，fork返回0；
  3）如果出现错误，fork返回一个负值。
- 我们可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。通俗的解释，可以这样看待：“其实就相当于链表，进程形成了链表，父进程的fork函数返回的值指向子进程的进程id, 因为子进程没有子进程，所以其fork函数返回的值为0.
- 调用fork之后，数据、堆、栈有两份，代码仍然为一份但是这个代码段成为两个进程的共享代码段都从fork函数中返回。当父子进程有一个想要修改数据或者堆栈时，两个进程真正分裂。
- 而且我们还需要注意的是：子进程的代码是从fork处执行的，fork底层实现采用了COW（copy_on_write）技术—-写入时拷贝
- 写时拷贝思想：父进程和子进程共享页帧而不是复制页帧。然而，只要页帧被共享，它们就不能被修改，即页帧被保护。无论父进程还是子进程何时试图写一个共享的页帧，就产生一个异常，这时内核就把这个页复制到一个新的页帧中并标记为可写。原来的页帧仍然是写保护的：当其他进程试图写入时，内核检查写进程是否是这个页帧的唯一属主，如果是，就把这个页帧标记为对这个进程是可写的。

3、vfork函数

既然讲到了fork函数，那么我们很容易想到另一个创建进程的函数vfork：
vfork最初是因为fork没有实现COW机制，而很多情况下fork之后会紧接着exec，而exec的执行相当于之前fork复制的空间全部变成了无用功，所以设计了vfork。
函数原型

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t vfork(void);

函数解释：
（1）vfork函数用于创建一个子进程，而子进程和父进程共享地址空间，fork的子进程具有独立的地址空间
（2）vfork保证子进程先运行，在它调用exec或（exit）之后父进程才可能被调度运行
注意的是：
vfork创建的子进程结束时需要调用exit（）函数退出，如果没有调用该函数时会出现短错误的；这是因为在函数栈上面，子进程运行结束了，main的函数栈被子进程释放了，然后父进程在使用的时候，就访问不到了，所以一旦vfork出子进程，退出的时候需要使用exit来结束。

4、fork和vfork的区别

（1）fork：子进程拷贝父进程的代码段和数据段
vfork：子进程和父进程共享代码段和数据段
（2）fork中父子进程的先后运行次序不定
vfork：保证子进程先运行，子进程exit后父进程才开始被调度运行
（3） vfork （）保证子进程先运行，在她调用exec 或exit 之后父进程才可能被调度运行。如果在调用这两个函数之前子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁。
（4）就算fork实现了写时拷贝，但其效率仍然没有vfork高，但是vfork在一般平台上都存在问题，所以一般不推荐使用