从一道面试题谈linux下fork的运行机制
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今天一位朋友去一個(gè)不錯(cuò)的外企面試linux開(kāi)發(fā)職位，面試官出了一個(gè)如下的題目：
??????給出如下C程序，在linux下使用gcc編譯：
#include "stdio.h" #include "sys/types.h" #include "unistd.h"int main() {pid_t pid1;pid_t pid2;pid1 = fork();pid2 = fork();printf("pid1:%d, pid2:%d\n", pid1, pid2); }
要求如下：
????? 已知從這個(gè)程序執(zhí)行到這個(gè)程序的所有進(jìn)程結(jié)束這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，沒(méi)有其它新進(jìn)程執(zhí)行。
????? 1、請(qǐng)說(shuō)出執(zhí)行這個(gè)程序后，將一共運(yùn)行幾個(gè)進(jìn)程。
????? 2、如果其中一個(gè)進(jìn)程的輸出結(jié)果是“pid1:1001, pid2:1002”，寫(xiě)出其他進(jìn)程的輸出結(jié)果（不考慮進(jìn)程執(zhí)行順序）。
????? 明顯這道題的目的是考察linux下fork的執(zhí)行機(jī)制。下面我們通過(guò)分析這個(gè)題目，談?wù)刲inux下fork的運(yùn)行機(jī)制。
預(yù)備知識(shí)
????? 這里先列出一些必要的預(yù)備知識(shí)，對(duì)linux下進(jìn)程機(jī)制比較熟悉的朋友可以略過(guò)。
????? 1、進(jìn)程可以看做程序的一次執(zhí)行過(guò)程。在linux下，每個(gè)進(jìn)程有唯一的PID標(biāo)識(shí)進(jìn)程。PID是一個(gè)從1到32768的正整數(shù)，其中1一般是特殊進(jìn)程init，其它進(jìn)程從2開(kāi)始依次編號(hào)。當(dāng)用完32768后，從2重新開(kāi)始。
????? 2、linux中有一個(gè)叫進(jìn)程表的結(jié)構(gòu)用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程?？梢允褂谩皃s aux”命令查看所有正在運(yùn)行的進(jìn)程。
????? 3、進(jìn)程在linux中呈樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，init為根節(jié)點(diǎn)，其它進(jìn)程均有父進(jìn)程，某進(jìn)程的父進(jìn)程就是啟動(dòng)這個(gè)進(jìn)程的進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程叫做父進(jìn)程的子進(jìn)程。
????? 4、fork的作用是復(fù)制一個(gè)與當(dāng)前進(jìn)程一樣的進(jìn)程。新進(jìn)程的所有數(shù)據(jù)（變量、環(huán)境變量、程序計(jì)數(shù)器等）數(shù)值都和原進(jìn)程一致，但是是一個(gè)全新的進(jìn)程，并作為原進(jìn)程的子進(jìn)程。
解題的關(guān)鍵
????? 有了上面的預(yù)備知識(shí)，我們?cè)賮?lái)看看解題的關(guān)鍵。我認(rèn)為，解題的關(guān)鍵就是要認(rèn)識(shí)到fork將程序切成兩段。看下圖：
????? 上圖表示一個(gè)含有fork的程序，而fork語(yǔ)句可以看成將程序切為A、B兩個(gè)部分。然后整個(gè)程序會(huì)如下運(yùn)行：
????? step1、設(shè)由shell直接執(zhí)行程序，生成了進(jìn)程P。P執(zhí)行完P(guān)art. A的所有代碼。
????? step2、當(dāng)執(zhí)行到pid = fork();時(shí)，P啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程Q，Q是P的子進(jìn)程，和P是同一個(gè)程序的進(jìn)程。Q繼承P的所有變量、環(huán)境變量、程序計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。
????? step3、在P進(jìn)程中，fork()將Q的PID返回給變量pid，并繼續(xù)執(zhí)行Part. B的代碼。
????? step4、在進(jìn)程Q中，將0賦給pid，并繼續(xù)執(zhí)行Part. B的代碼。
????? 這里有三個(gè)點(diǎn)非常關(guān)鍵:
??????1、P執(zhí)行了所有程序，而Q只執(zhí)行了Part. B，即fork()后面的程序。（這是因?yàn)镼繼承了P的PC-程序計(jì)數(shù)器）
????? 2、Q繼承了fork()語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)當(dāng)前的環(huán)境，而不是程序的初始環(huán)境。
????? 3、P中fork()語(yǔ)句啟動(dòng)子進(jìn)程Q，并將Q的PID返回，而Q中的fork()語(yǔ)句不啟動(dòng)新進(jìn)程，僅將0返回。
解題
????? 下面利用上文闡述的知識(shí)進(jìn)行解題。這里我把兩個(gè)問(wèn)題放在一起進(jìn)行分析。
????? 1、從shell中執(zhí)行此程序，啟動(dòng)了一個(gè)進(jìn)程，我們?cè)O(shè)這個(gè)進(jìn)程為P0，設(shè)其PID為XXX（解題過(guò)程不需知道其PID）。
????? 2、當(dāng)執(zhí)行到pid1 = fork();時(shí)，P0啟動(dòng)一個(gè)子進(jìn)程P1，由題目知P1的PID為1001。我們暫且不管P1。
????? 3、P0中的fork返回1001給pid1，繼續(xù)執(zhí)行到pid2 = fork();，此時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)新進(jìn)程，設(shè)為P2，由題目知P2的PID為1002。同樣暫且不管P2。
????? 4、P0中的第二個(gè)fork返回1002給pid2，繼續(xù)執(zhí)行完后續(xù)程序，結(jié)束。所以，P0的結(jié)果為“pid1:1001, pid2:1002”。
????? 5、再看P2，P2生成時(shí)，P0中pid1=1001，所以P2中pid1繼承P0的1001，而作為子進(jìn)程pid2=0。P2從第二個(gè)fork后開(kāi)始執(zhí)行，結(jié)束后輸出“pid1:1001, pid2:0”。
????? 6、接著看P1，P1中第一條fork返回0給pid1，然后接著執(zhí)行后面的語(yǔ)句。而后面接著的語(yǔ)句是pid2 = fork();執(zhí)行到這里，P1又產(chǎn)生了一個(gè)新進(jìn)程，設(shè)為P3。先不管P3。
????? 7、P1中第二條fork將P3的PID返回給pid2，由預(yù)備知識(shí)知P3的PID為1003，所以P1的pid2=1003。P1繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序，結(jié)束，輸出“pid1:0, pid2:1003”。
????? 8、P3作為P1的子進(jìn)程，繼承P1中pid1=0，并且第二條fork將0返回給pid2，所以P3最后輸出“pid1:0, pid2:0”。
????? 9、至此，整個(gè)執(zhí)行過(guò)程完畢。
????? 所得答案：
??????1、一共執(zhí)行了四個(gè)進(jìn)程。（P0, P1, P2, P3）
??????2、另外幾個(gè)進(jìn)程的輸出分別為：
??????pid1:1001, pid2:0
????? pid1:0, pid2:1003
????? pid1:0, pid2:0
????? 進(jìn)一步可以給出一個(gè)以P0為根的進(jìn)程樹(shù)：
驗(yàn)證
????? 下面我們?nèi)inux下實(shí)際執(zhí)行這個(gè)程序，來(lái)驗(yàn)證我們的答案。
????? 程序如下圖：
????? 用gcc編譯、執(zhí)行后結(jié)果如下：
????? 由于我們不太可能剛巧碰上PID分配到1001的情況，所以具體數(shù)值可能和答案有所差別。不過(guò)將這里的2710看做基數(shù)的話(huà)，結(jié)果和我們上面的解答是一致的。
總結(jié)
????? 應(yīng)該說(shuō)這不是一道特別難或特別刁鉆的題目，但是由于fork函數(shù)運(yùn)行機(jī)制的復(fù)雜性，造就了當(dāng)兩個(gè)fork并排時(shí)，問(wèn)題就變得很復(fù)雜。解這個(gè)題的關(guān)鍵，一是要對(duì)linux下進(jìn)程的機(jī)制有一定認(rèn)識(shí)，二是抓住上文提到的幾個(gè)關(guān)于fork的關(guān)鍵點(diǎn)。朋友說(shuō)，這個(gè)題給的時(shí)間是5分鐘，應(yīng)該說(shuō)時(shí)間還算充裕，但是在面試的場(chǎng)合下，還是很考驗(yàn)一個(gè)人對(duì)進(jìn)程、fork的掌握程度和現(xiàn)場(chǎng)推理能力。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的从一道面试题谈linux下fork的运行机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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