PHP - pcntl_fork() 執行過程詳解

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 <?php   
$pid = pcntl_fork();
if ($pid == -1)
{
    die("could not fork");
}
elseif($pid == 0)
{
    echo "I‘m the child  process \n";
}
else
{
    echo "I‘m the parent process \n";
    exit;
}

要搞清楚fork的執行過程，就必須先弄清楚作業系統中”進程(process)”的概念。

一個進程，主要包含三個元素：

1. 一個可以執行的程式；
2. 和該進程相關聯的全部資料（包括變數，記憶體空間，緩衝區等等）；
3. 程式的執行內容（execution context）；

不妨簡單理解為，一個進程表示的就是一個可執行程式的一次執行過程中的一個狀態。作業系統對進程的管理，典型的情況，是通過進程表完成的。進程表中的每一個表項，記錄的是當前作業系統中一個進程的情況。對於單 CPU的情況而言，每一特定時刻只有一個進程佔用 CPU，但是系統中可能同時存在多個活動的（等待執行或繼續執行的）進程。

一個稱為”程式計數器（program counter, pc）”的寄存器，指出當前佔用 CPU的進程要執行的下一條指令的位置。

當分給某個進程的 CPU時間已經用完，作業系統將該進程相關的寄存器的值，儲存到該進程在進程表中對應的表項裡面；把將要接替這個進程佔用 CPU的那個進程的上下文，從進程表中讀出，並更新相應的寄存器（這個過程稱為”上下文交換(process context switch)”，實際的上下文交換需要涉及到更多的資料，那和fork無關，不再多說，主要要記住程式寄存器pc指出程式當前已經執行到哪裡，是進程上 下文的重要內容，換出 CPU的進程要儲存這個寄存器的值，換入CPU的進程，也要根據進程表中儲存的本進程執行內容資訊，更新這個寄存器）。

好了，有這些概念打底，可以說fork了，當你的程式執行到下面的語句：
pid = pcntl_fork();
作業系統建立一個新的進程（子進程），並且在進程表中相應為它建立一個新的表項。新進程和原有進程的可執行程式是同一個程式；上下文和資料，絕大部分就是原進程（父進程）的拷貝，但它們是兩個相互獨立的進程！此時程式寄存器pc在父、子進程的上下文中都聲稱，這個進程目前執行到fork調用即將返回（此時子進程不佔有CPU，子進程的pc不是真正儲存在寄存器中，而是作為進程上下文儲存在進程表中的對應表項內）。問題是怎麼返回，在父子進程中就分道揚鑣。

父進程繼續執行作業系統對fork的實現，使這個調用在父進程中返回剛剛建立的子進程的pid（一個正整數），所以後面的if語句中pid<0, pid==0的兩個分支都不會執行。所以輸出：i am the parent process…

接著子進程在之後的某個時候得到調度，它的上下文被換入，佔據 CPU，作業系統對fork的實現使得子進程中fork調用返回0，所以在這個進程中pid=0（注意這不是父進程了哦，雖然是同一個程式，但是這是同一個程式的另外一次執行，在作業系統中這次執行是由另外一個進程表示的，從執行的角度說和父進程相互獨立）。這個進程在繼續執行的過程中，if語句中 pid<0不滿足，但是pid==0是true，所以輸出：i am the child process…

我想你比較困惑的就是：

為什麼看上去程式中互斥的兩個分支都被執行了，在一個程式的一次執行中，這當然是不可能的，事實上你看到的兩行輸出是來自兩個獨立的進程，而這兩個進程來自同一個程式的兩次執行。

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fork之後，作業系統會複製一個與父進程完全相同的子進程，雖說是父子關係，但是在作業系統看來，他們更像兄弟關係，這2個進程共用代碼空間，但是資料空間是互相獨立的，子進程資料空間中的內容是父進程的完整拷貝，指令指標也完全相同，但只有一點不同，如果fork成功，子進程中fork的傳回值是0，父進程中fork的傳回值是子進程的進程號，如果fork失敗，父進程會返回錯誤。
可以這樣想象，2個進程一直同時運行，而且步調一致，在fork之後，他們分別作不同的工作，也就是分岔了，這也是fork為什麼叫fork的原因。
至於哪一個進程最先運行，這與作業系統平台的調度演算法有關，而且這個問題在實際應用中並不重要，如果需要父子進程協同運作，可以通過控制文法結構的辦法解決。

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fork前子進程可以繼承父進程的東西，但是在pcntl_fork()後子進程和父進程就沒有任何繼承關係了。在子進程裡建立的東西是子進程的，在父進程建立的東西是父進程的，可以完全看成是兩個獨立的進程。

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在程式段裡用了pcntl_fork()之後程式出了分岔，派生出了兩個進程，具體哪個先運行就看該系統的調度演算法了。
在這裡，我們可以這麼認為，在運行到”pid=pcntl_fork();”時系統派生出一個跟主程式一模一樣的子進程。該進程的”pid=pcntl_fork();”一句中 pid得到的就是子進程本身的pid；子進程結束後，父進程的”pid=pcntl_fork();”中pid得到的就是父進程本身的pid，因此該程式有兩行輸出。

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pcntl_fork()函數複製了當前進程的PCB，並向父進程返回了派生子進程的pid，父子進程並行，列印語句的先後完全看系統的調度演算法，列印的內容控制則靠pid變數來控制。因為我們知道pcntl_fork()向父進程返回了派生子進程的pid，是個正整數；而派生子進程的pid變數並沒有被改變，這一區別使得我們看到了他們的不同輸出。

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1. 派生子進程的進程，即父進程，其pid不變；
2. 對子進程來說，fork()函數返回給它0, 但它自身的pid絕對不會是0；之所以fork()函數返回0給它，是因為它隨時可以調用getpid()來擷取自己的pid；
3. fork之後父、子進程除非採用了同步手段，否則不能確定誰先運行，也不能確定誰先結束。認為子進程結束後父進程才從fork返回的，這是不對的，fork不是這樣的，vfork才這樣。

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