Linux 操作系統(tǒng)緊緊依賴進程創(chuàng)建來滿足用戶的需求。例如，只要用戶輸入一條命令，shell 進程就創(chuàng)建一個新進程，新進程運行 shell 的另一個拷貝并執(zhí)行用戶輸入的命令。Linux 系統(tǒng)中通過 fork/vfork 系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建新進程。本文將介紹如何使用 fork/vfork 系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建新進程并使用 exec 族函數(shù)在新進程中執(zhí)行任務(wù)。

fork 系統(tǒng)調(diào)用

要創(chuàng)建一個進程，最基本的系統(tǒng)調(diào)用是 fork：

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

調(diào)用 fork 時，系統(tǒng)將創(chuàng)建一個與當前進程相同的新進程。通常將原有的進程稱為父進程，把新創(chuàng)建的進程稱為子進程。子進程是父進程的一個拷貝，子進程獲得同父進程相同的數(shù)據(jù)，但是同父進程使用不同的數(shù)據(jù)段和堆棧段。子進程從父進程繼承大多數(shù)的屬性，但是也修改一些屬性，下表對比了父子進程間的屬性差異：

下面是一個常見的演示 fork 工作原理的 demo(筆者的環(huán)境為 Ubuntu 16.04 desktop)：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
 pid_t pid;
 char *message;
 int n;
 pid = fork();
 if(pid < 0)
 {
  perror("fork failed");
  exit(1);
 }
 if(pid == 0)
 {
  printf("This is the child process. My PID is: %d. My PPID is: %d.\n", getpid(), getppid());
 }
 else
 {
  printf("This is the parent process. My PID is %d.\n", getpid());
 }
 return 0;
}

把上面的代碼保存到文件 forkdemo.c 文件中，并執(zhí)行下面的命令編譯：

$ gcc forkdemo.c -o forkdemo

然后運行編譯出來的 forkdemo 程序：

$ ./forkdemo

fork 函數(shù)的特點是 "調(diào)用一次，返回兩次"：在父進程中調(diào)用一次，在父進程和子進程中各返回一次。在父進程中返回時的返回值為子進程的 PID，而在子進程中返回時的返回值為 0，并且返回后都將執(zhí)行 fork 函數(shù)調(diào)用之后的語句。如果 fork 函數(shù)調(diào)用失敗，則返回值為 -1。
我們細想會發(fā)現(xiàn)，fork 函數(shù)的返回值設(shè)計還是很高明的。在子進程中 fork 函數(shù)返回 0，那么子進程仍然可以調(diào)用 getpid 函數(shù)得到自己的 PID，也可以調(diào)用 getppid 函數(shù)得到父進程 PID。在父進程中用 getpid 函數(shù)可以得到自己的 PID，如果想得到子進程的PID，唯一的辦法就是把 fork 函數(shù)的返回值記錄下來。
注意：執(zhí)行 forkdemo 程序時的輸出是會發(fā)生變化的，可能先打印父進程的信息，也可能先打印子進程的信息。

vfork 系統(tǒng)調(diào)用

vfork 系統(tǒng)調(diào)用和 fork 系統(tǒng)調(diào)用的功能基本相同。vfork 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建的進程共享其父進程的內(nèi)存地址空間，但是并不完全復(fù)制父進程的數(shù)據(jù)段，而是和父進程共享其數(shù)據(jù)段。為了防止父進程重寫子進程需要的數(shù)據(jù)，父進程會被 vfork 調(diào)用阻塞，直到子進程退出或執(zhí)行一個新的程序。由于調(diào)用 vfork 函數(shù)時父進程被掛起，所以如果我們使用 vfork 函數(shù)替換 forkdemo 中的 fork 函數(shù)，那么執(zhí)行程序時輸出信息的順序就不會變化了。

使用 vfork 創(chuàng)建的子進程一般會通過 exec 族函數(shù)執(zhí)行新的程序。接下來讓我們先了解下 exec 族函數(shù)。

exec 族函數(shù)

使用 fork/vfork 創(chuàng)建子進程后執(zhí)行的是和父進程相同的程序（但有可能執(zhí)行不同的代碼分支），子進程往往需要調(diào)用一個 exec 族函數(shù)以執(zhí)行另外一個程序。當進程調(diào)用 exec 族函數(shù)時，該進程的用戶空間代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換，從新程序的起始處開始執(zhí)行。調(diào)用 exec 族函數(shù)并不創(chuàng)建新進程，所以調(diào)用 exec 族函數(shù)前后該進程的 PID 并不改變。

exec 族函數(shù)一共有六個：

#include <unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

函數(shù)名字中帶字母 "l" 的表示其參數(shù)個數(shù)不確定，帶字母 "v" 的表示使用字符串數(shù)組指針 argv 指向參數(shù)列表。
函數(shù)名字中含有字母 "p" 的表示可以自動在環(huán)境變量 PATH 指定的路徑中搜索要執(zhí)行的程序。
函數(shù)名字中含有字母 "e" 的函數(shù)比其它函數(shù)多一個參數(shù) envp。該參數(shù)是字符串數(shù)組指針，用于指定環(huán)境變量。調(diào)用這樣的函數(shù)時，可以由用戶自行設(shè)定子進程的環(huán)境變量，存放在參數(shù) envp 所指向的字符串數(shù)組中。

事實上，只有 execve 是真正的系統(tǒng)調(diào)用，其它五個函數(shù)最終都調(diào)用 execve。這些函數(shù)之間的關(guān)系如下圖所示(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：

exec 族函數(shù)的特征：調(diào)用 exec 族函數(shù)會把新的程序裝載到當前進程中。在調(diào)用過 exec 族函數(shù)后，進程中執(zhí)行的代碼就與之前完全不同了，所以 exec 函數(shù)調(diào)用之后的代碼是不會被執(zhí)行的。

在子進程中執(zhí)行任務(wù)

下面讓我們通過 vfork 和 execve 函數(shù)實現(xiàn)在子進程中執(zhí)行 ls 命令：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
 pid_t pid;
 if((pid=vfork()) < 0)
 {
  printf("vfork error!\n");
  exit(1);
 }
 else if(pid==0)
 {
  printf("Child process PID: %d.\n", getpid());
  char *argv[ ]={"ls", "-al", "/home", NULL}; 
  char *envp[ ]={"PATH=/bin", NULL};
  if(execve("/bin/ls", argv, envp) < 0)
  {
   printf("subprocess error");
   exit(1);
  }
  // 子進程要么從 ls 命令中退出，要么從上面的 exit(1) 語句退出
  // 所以代碼的執(zhí)行路徑永遠也走不到這里，下面的 printf 語句不會被執(zhí)行
  printf("You should never see this message.");
 }
 else
 {
  printf("Parent process PID: %d.\n", getpid());
  sleep(1);
 }
 return 0;
}

把上面的代碼保存到文件 subprocessdemo.c 文件中，并執(zhí)行下面的命令編譯：

$ gcc subprocessdemo.c -o subprocessdemo

然后運行編譯出來的 subprocessdemo程序：

$ ./subprocessdemo

總結(jié)

fork/vfork 函數(shù)和 exec 族函數(shù)都是 Linux 系統(tǒng)中非常重要的概念。本文試圖通過簡單的 demo 來演示這些函數(shù)的基本用法，為理解 Linux 系統(tǒng)中父進程與子進程的概念提供一些直觀的感受。