系统调用简介

fork 系统调用

1. fork 系统调用头文件：<unistd.h>；

2. fork 系统调用的原型：pid_t fork()；

3. 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。

4. 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

gcc -S hello.c -o hello.s  // 编译
gcc -c hello.s -o hello.o  // 汇编
gcc hello.o -o hello       // 链接
./hello                    // 执行
objdump -d hello           // 反汇编

gcc hello.c -o hello

objdump -d hello.o -Mintel

执行结果

Before fork ...
I am father.
The pid of parent is: 164603
The pid of parent's child is: 164604
After fork, program exitting...
I am child.
The pid of child is: 164604
The pid of child's parent is: 164603
Child exitting...

实验讨论

1. 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？
1. 编写代码，即进行代码文本的编写
2. 预处理，即将处理预处理指令如包含#include,宏定义制定#define等。
3. 编译，即将预处理后的代码文件，编译成特定的汇编代码。
4. 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。
5. 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。

2. 在第 12 行执行 fork() 时系统进入到什么态？
1. 内核态。

3. 结合 PPT 中的 fork() 的执行流，分析 getpid() 的执行流。
1. 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。

4. fork() 的执行对你有什么启发？
1. 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

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int status;

    printf("Before fork ...\n");

    /* 调用 fork() 系统调用，创建一个子进程 */
    switch (pid = fork()){

    /* fork 失败，返回一个负值 */
    case -1:
        printf("fork call failed\n");
        fflush(stdout);
        exit(1);

    case 0:
        printf("I am child.\n");
        printf("The pid of child is: %d\n", getpid());
        printf("The pid of child's parent is: %d\n", getppid());
        printf("Child exitting...\n");

        exit(0);

    default:
        printf("I am father.\n");
        printf("The pid of parent is: %d\n", getpid());
        printf("The pid of parent's child is: %d\n", pid);
        wait(&status);
        printf("The child process exited with status: %d\n", status);
    }

    printf("After fork, program exitting... \n");
    exit(0);
}

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。

Before fork ...
I am father.
The pid of parent is: 194255
The pid of parent's child is: 194256
I am child.
The pid of child is: 194256
The pid of child's parent is: 194255
Child exitting...
The child process exited with status: 0
After fork, program exitting...

参考资料

操作系统及Linux内核_Linux - 蓝桥云课

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