Linux中的fork函数详解

fork()是Linux/Unix系统中一个非常重要的系统调用函数，用于创建新的进程。下面我将详细介绍这个函数。

基本概念

fork()函数通过复制调用进程（父进程）来创建一个新的进程（子进程）。子进程几乎与父进程完全相同，但有自己的进程ID和一些其他属性。

函数原型

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

返回值

• 成功时：
  • 在父进程中返回子进程的PID（正整数）
  • 在子进程中返回0
• 失败时：返回-1，并设置errno

工作原理

1. 当调用fork()时，内核会复制父进程的地址空间、堆栈、数据段等
2. 子进程获得父进程文件描述符表的副本
3. 子进程从fork()调用后的代码开始执行

典型用法

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        // fork失败
        perror("fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("This is child process, PID: %d\n", getpid());
    } else {
        // 父进程代码
        printf("This is parent process, child PID: %d, my PID: %d\n", 
               pid, getpid());
    }

    return 0;
}

重要特性

1. 写时复制(Copy-On-Write, COW)：

   • 现代Linux实现使用写时复制技术
   • 父子进程最初共享相同的物理内存页
   • 只有当任一进程尝试修改内存时，才会创建该内存页的副本

2. 继承的属性：

   • 环境变量
   • 打开的文件描述符
   • 信号处理设置
   • 当前工作目录
   • 用户/组ID

3. 不同的属性：

   • 进程ID
   • 父进程ID
   • 挂起的信号会被清空
   • 文件锁不会被继承
   • 未处理的闹钟(alarm)会被清除

常见问题与解决方案

1. fork失败：

   • 可能原因：进程数达到系统限制、内存不足等
   • 解决方案：检查errno值，适当减少并发进程数

2. 资源管理：

   • 子进程继承了父进程打开的文件描述符
   • 解决方案：在不需要的文件描述符上调用close()

3. 僵尸进程：

   • 子进程退出但父进程没有调用wait()
   • 解决方案：父进程应处理SIGCHLD信号或调用wait/waitpid

4. 性能考虑：

   • 虽然COW减少了开销，但大量fork仍会影响性能
   • 解决方案：考虑使用线程或进程池

实际应用场景

1. 服务器程序（如Apache）使用fork处理并发连接
2. shell使用fork执行用户命令
3. 并行计算任务的分发

fork()是Linux进程管理的基石，理解它的工作原理对于系统编程至关重要。