调用Linux系统调用 fork() 创建进程实验

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系统调用简介

操作系统为用户态运行的进程与硬件设备（如 CPU、磁盘、打印机等等）进行交互提供了一组接口。在应用程序和硬件之间设置这样一个接口层具有很多优点，首先，这使得编程更加容易，把用户从学习硬件设备的低级编程特性中解放出来。其次，极大地提高了系统的安全性，内核在要满足某个请求之前就可以在接口级检查这种请求的正确性。最后，更重要的是，这些接口使得程序更具有可移植性，因为只要不同操作系统所提供的一组接口相同，那么在这些操作系统之上就可以正确地编译和执行相同的程序。这组接口就是所谓的“系统调用”。

fork 系统调用

在 Linux 系统中，如何创建一个进程，就是通过调用系统调用 fork()，fork() 创建一个新进程，fork() 本身就是分叉的意思，也就是当执行 fork() 以后，一个新的进程就诞生了，也就是父子进程都存在了，执行流就一分为二，fork() 给父进程返回子进程的 pid，给子进程返回 0, 如图所示：

fork 系统调用头文件：<unistd.h>；

fork 系统调用的原型：pid_t fork()；

fork 系统调用的返回值：pid_t 是进程描述符类型，本质就是一个 int。如果 fork() 函数执行失败，返回一个负数(<0)；如果 fork() 调用执行成功，返回两个值：0 和所创建子进程的 ID。

fork 系统调用的功能：以当前进程作为父进程创建出一个新的子进程，并且将父进程的所有资源拷贝给子进程，这样子进程作为父进程的一个副本存在。父子进程几乎是完全相同的，但子进程与父进程的 ID 不同。

编写实验代码

编译、链接、运行，并反汇编

也可以用一步编译并链接：

为什么要反汇编，是为了看到程序执行前的样子到底是什么，也可以反汇编成 Intel 的汇编格式。

执行结果

实验讨论

编写代码，编译、汇编、链接以及反汇编，说说每一步都做了什么？你真切的学到了什么？

编写代码，即进行代码文本的编写
预处理，即将处理预处理指令如包含#include,宏定义制定#define等。
编译，即将预处理后的代码文件，编译成特定的汇编代码。
汇编，汇编过程将上一步的汇编代码转换成机器码，这一步产生的文件叫做目标文件，是二进制格式。
链接过程使用链接器将该目标文件与其他目标文件、库文件、启动文件等链接起来生成可执行文件。附加的目标文件包括静态连接库和动态连接库。

在第 12 行执行 fork() 时系统进入到什么态？

内核态。

结合 PPT 中的 fork() 的执行流，分析 getpid() 的执行流。

主程序在执行的时候，执行到对应的 getpid() 系统调用，进入到内核态中，将对应的结果返回到用户态之后，完成所有的工作。

fork() 的执行对你有什么启发？

fork() 产生的子进程在父进程退出之后才执行的，通过执行结果我们可以发现，两者的代码都是一样的，确实是父进程的副本。但是为什么是父进程退出之后再执行的子进程，这样的话，父进程还可以对子进程进行回收处理吗？

答案

fork() 函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程。在 fork() 之后，父进程和子进程都处于就绪状态，开始由内核调度执行。谁先执行完全由调度器决定1。

父进程可以通过 wait() 或 waitpid() 函数等待子进程退出，并收集子进程的退出状态。如果子进程退出状态不被收集，则变成僵尸进程。子进程可以通过调用 _exit() 或 exit() 函数来退出。_exit() 函数直接使进程停止运行，清除其使用的内存空间，并清除其在内核中的各种数据结构。exit() 函数在执行退出之前，会将文件缓冲区中的内容写回文件，即清理 I/O 缓冲2。

您提到的程序输出显示父进程先退出，这是因为父进程和子进程都是独立执行的，它们的执行顺序是不确定的。父进程可以在退出之前对子进程进行回收处理。

代码改进

原来代码的问题

父进程没有执行子进程的退出清理工作，可能会产生僵尸进程。

修改后的代码

执行结果

可以看到确实是两个进程是同时调度的。

父进程使用 wait() 函数来等待子进程退出。当子进程退出时，wait() 函数返回并将子进程的退出状态存储在 status 变量中。父进程可以通过检查 status 变量的值来确定子进程是如何退出的。此外，wait() 函数还会回收子进程的 PCB，从而避免产生僵尸进程。

参考资料

操作系统及Linux内核_Linux - 蓝桥云课

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