1. fork() 是什么？

fork() 是一个在类Unix操作系统（包括Linux）中创建新进程的系统调用。它的独特之处在于：调用一次，返回两次。

• 它通过复制调用进程（称为父进程）来创建一个新的进程（称为子进程）。

• 子进程几乎是父进程的完美副本。它会获得父进程代码段、数据段、堆、栈以及文件描述符表等的副本。

2. fork() 的工作流程和返回值

理解 fork() 的关键在于理解它的返回值：

• 在父进程中：fork() 返回新创建的子进程的进程ID（PID）（一个大于0的数字）。

• 在子进程中：fork() 返回 0。

• 如果出错（例如系统进程数达到上限）：fork() 返回 -1。

这个返回值是区分父进程和子进程执行流的唯一方法。

3. 一个简单示例

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

int main() {
    pid_t pid; // pid_t 是专门用于表示进程ID的数据类型

    printf("Before fork: [PID=%d]\n", getpid());

    // 调用 fork()
    pid = fork();

    // 从这里开始，代码会被两个进程执行
    if (pid < 0) {
        // 错误处理
        fprintf(stderr, "Fork failed!\n");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 这是子进程的代码块
        printf("I am the CHILD process: [PID=%d], my parent's PID is [PPID=%d]\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 这是父进程的代码块
        printf("I am the PARENT process: [PID=%d], my child's PID is [%d]\n", getpid(), pid);
    }

    // 这个printf语句两个进程都会执行
    printf("This line is printed by both processes. [PID=%d]\n", getpid());

    return 0;
}

可能的输出结果：

Before fork: [PID=1234]
I am the PARENT process: [PID=1234], my child's PID is [1235]
This line is printed by both processes. [PID=1234]
I am the CHILD process: [PID=1235], my parent's PID is [PPID=1234]
This line is printed by both processes. [PID=1235]

4. fork() 的关键特性

1. 写时复制（Copy-On-Write, COW）

   • 早期的Unix实现中，fork() 会立即复制父进程的整个地址空间，这通常很慢且低效。

   • 现代操作系统（如Linux）使用了“写时复制”技术。fork() 之后，父子进程共享相同的物理内存页。

   • 只有当其中一个进程尝试修改某个内存页时，操作系统才会为该进程创建一个该页的副本。这大大提高了 fork() 的效率，因为很多情况下子进程会立即调用 exec() 来执行新程序，从而避免了不必要的复制。

2. 继承的文件描述符

   • 子进程会获得父进程所有打开的文件描述符的副本。

   • 这意味着父子进程可以同时对同一个文件进行读写操作。标准输入（0）、标准输出（1）、标准错误（2）也被继承。

   • 这是一个非常强大的特性，常用于实现管道（pipe）和I/O重定向。

3. 并发执行

   • fork() 之后，父进程和子进程的执行顺序是不确定的，由操作系统的进程调度器决定。

   • 如果你需要控制它们的执行顺序，需要使用进程间通信（IPC）机制，如信号（signal）、管道（pipe）、信号量（semaphore）等。

5. fork() 的典型用途

1. 创建新进程

   • 这是最直接的用途，例如在Shell中，你每输入一个命令，Shell就会 fork() 一个子进程来执行它。

2. 进程池

   • 服务器程序（如Web服务器）在启动时可能会 fork() 出一组子进程（进程池）来并发处理多个客户端请求。

3. 协同工作

   • 父子进程可以通过进程间通信（IPC）协同完成一项复杂的任务。

6. fork() 与 exec() 的组合

这是Unix/Linux编程中最常见的模式之一：

1. 首先，程序调用 fork() 创建一个自身的副本（子进程）。

2. 然后，在子进程中，立即调用 exec() 系列函数（如 execlp, execvp）来加载并执行一个全新的程序。exec() 会用新程序的代码和数据替换掉当前子进程的地址空间。

3. 父进程则可以继续执行原有代码，或者等待子进程结束（使用 wait() 或 waitpid()）。

示例：模拟 Shell 执行 ls -l

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

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

    if (pid == 0) {
        // 子进程：执行 ls -l
        execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 如果成功，这行代码之后的都不会执行

        // 只有当 execlp 失败时，才会执行到这里
        perror("execlp failed");
        return 1;
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程：等待子进程结束
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0); // 等待特定的子进程
        printf("Child process finished.\n");
    } else {
        // fork 失败
        perror("fork failed");
        return 1;
    }
    return 0;
}

总结

特性	描述
目的	创建一个新的进程。
机制	通过复制调用进程（父进程）来实现。
返回值	父进程中返回子进程PID，子进程中返回0，出错返回-1。
核心技术	写时复制（Copy-On-Write），极大提升效率。
共享资源	继承父进程的代码、数据、堆栈、环境、打开的文件描述符等。
主要用途	创建新进程、实现进程池、与 exec() 配合运行新程序。

fork() 是理解Unix/Linux多任务编程的基石，虽然概念简单，但其与后续的 exec(), wait(), 信号、IPC等机制的配合，构成了强大的进程管理能力。