從一道面試題談linux下fork的運行機制

 

 

      今天一位朋友去一個不錯的外企面試linux開發職位，面試官出了一個如下的題目：

給出如下C程式，在linux下使用gcc編譯：

view source

print?

01
#include "stdio.h"

02
#include "sys/types.h"

03
#include "unistd.h"

04
int main()

05
{

06
pid_t pid1;

07
pid_t pid2;

08
pid1 = fork();

09
pid2 = fork();

10
printf("pid1:%d, pid2:%d\n", pid1, pid2);

11
}

要求如下：

      已知從這個程式執行到這個程式的所有進程結束這個時間段內，沒有其它新進程執行。

      1、請說出執行這個程式後，將一共運行幾個進程。

      2、如果其中一個進程的輸出結果是“pid1:1001, pid2:1002”，寫出其他進程的輸出結果（不考慮進程執行順序）。

      明顯這道題的目的是考察linux下fork的執行機制。下面我們通過分析這個題目，談談linux下fork的運行機制。

預備知識

      這裡先列出一些必要的預備知識，對linux下進程機制比較熟悉的朋友可以略過。

      1、進程可以看做程式的一次執行過程。在linux下，每個進程有唯一的PID標識進程。PID是一個從1到32768的正整數，其中1一般是特殊進程init，其它進程從2開始依次編號。當用完32768後，從2重新開始。

      2、linux中有一個叫進程表的結構用來儲存當前正在啟動並執行進程。可以使用“ps aux”命令查看所有正在啟動並執行進程。

      3、進程在linux中呈樹狀結構，init為根節點，其它進程均有父進程，某進程的父進程就是啟動這個進程的進程，這個進程叫做父進程的子進程。

      4、fork的作用是複製一個與當前進程一樣的進程。新進程的所有資料（變數、環境變數、程式計數器等）數值都和原進程一致，但是是一個全新的進程，並作為原進程的子進程。

解題的關鍵

      有了上面的預備知識，我們再來看看解題的關鍵。我認為，解題的關鍵就是要認識到fork將程式切成兩段。看：

      表示一個含有fork的程式，而fork語句可以看成將程式切為A、B兩個部分。然後整個程式會如下運行：

      step1、設由shell直接執行程式，產生了進程P。P執行完Part. A的所有代碼。

      step2、當執行到pid = fork();時，P啟動一個進程Q，Q是P的子進程，和P是同一個程式的進程。Q繼承P的所有變數、環境變數、程式計數器的當前值。

      step3、在P進程中，fork()將Q的PID返回給變數pid，並繼續執行Part. B的代碼。

      step4、在進程Q中，將0賦給pid，並繼續執行Part. B的代碼。

      這裡有三個點非常關鍵:

1、P執行了所有程式，而Q只執行了Part. B，即fork()後面的程式。（這是因為Q繼承了P的PC-程式計數器）

      2、Q繼承了fork()語句執行時當前的環境，而不是程式的初始環境。

      3、P中fork()語句啟動子進程Q，並將Q的PID返回，而Q中的fork()語句不啟動新進程，僅將0返回。

解題

      下面利用上文闡述的知識進行解題。這裡我把兩個問題放在一起進行分析。

      1、從shell中執行此程式，啟動了一個進程，我們設這個進程為P0，設其PID為XXX（解題過程不需知道其PID）。

      2、當執行到pid1 = fork();時，P0啟動一個子進程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，繼續執行到pid2 = fork();，此時啟動另一個新進程，設為P2，由題目知P2的PID為1002。同樣暫且不管P2。

      4、P0中的第二個fork返回1002給pid2，繼續執行完後續程式，結束。所以，P0的結果為“pid1:1001, pid2:1002”。

      5、再看P2，P2產生時，P0中pid1=1001，所以P2中pid1繼承P0的1001，而作為子進程pid2=0。P2從第二個fork後開始執行，結束後輸出“pid1:1001, pid2:0”。

      6、接著看P1，P1中第一條fork返回0給pid1，然後接著執行後面的語句。而後面接著的語句是pid2 = fork();執行到這裡，P1又產生了一個新進程，設為P3。先不管P3。

      7、P1中第二條fork將P3的PID返回給pid2，由預備知識知P3的PID為1003，所以P1的pid2=1003。P1繼續執行後續程式，結束，輸出“pid1:0, pid2:1003”。

      8、P3作為P1的子進程，繼承P1中pid1=0，並且第二條fork將0返回給pid2，所以P3最後輸出“pid1:0, pid2:0”。

      9、至此，整個執行過程完畢。

      所得答案：

1、一共執行了四個進程。（P0, P1, P2, P3）

      2、另外幾個進程的輸出分別為：

      pid1:1001, pid2:0

      pid1:0, pid2:1003

      pid1:0, pid2:0

      進一步可以給出一個以P0為根的進程樹：

驗證

      下面我們去linux下實際執行這個程式，來驗證我們的答案。

      程式如：

      用gcc編譯、執行後結果如下：

      由於我們不太可能剛巧碰上PID分配到1001的情況，所以具體數值可能和答案有所差別。不過將這裡的2710看做基數的話，結果和我們上面的解答是一致的。

總結

      應該說這不是一道特別難或特別刁鑽的題目，但是由於fork函數運行機制的複雜性，造就了當兩個fork並排時，問題就變得很複雜。解這個題的關鍵，一是要對linux下進程的機制有一定認識，二是抓住上文提到的幾個關於fork的關鍵點。朋友說，這個題給的時間是5分鐘，應該說時間還算充裕，但是在面試的場合下，還是很考驗一個人對進程、fork的掌握程度和現場推理能力。

      希望本文能協助朋友們對fork的執行機制有一個明晰的認識。

 

出自：從一道面試題談linux下fork的運行機制_知識庫_部落格園