详解 pcntl_fork() 工作原理

blogdaren 2015-01-19 1评论 3603人次
首先给大家推荐一本好书名为:<<UNIX环境高级编程>> , 里面详细讲解了进程控制的相关内容。
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<?php  
$pid = pcntl_fork();
if ($pid == -1)
{
    die("could not fork");
}
elseif($pid == 0)
{
    echo "I'm the child  process" . PHP_EOL;
}
else
{
    echo "I'm the parent process" . PHP_EOL;
    exit(0);
}

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要搞清楚fork的执行过程,就必须先弄清楚操作系统中 "进程(process)" 的概念。

一个进程,主要包含三个元素:
1. 一个可以执行的程序;
2. 和该进程相关联的全部数据(包括变量,内存空间,缓冲区等等);
3. 程序的执行上下文(execution context);

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不妨简单理解为,一个进程表示的就是一个可执行程序的一次执行过程中的一个状态。操作系统对进程的管理,
典型的情况,是通过进程表完成的。进程表中的每一个表项,记录的是当前操作系统中一个进程的情况。
对于单CPU的情况而言,每一特定时刻只有一个进程占用CPU,但是系统中可能同时存在多个活动的(等待执行或继续执行的)进程。

一个称为 "程序计数器(program counter, pc)" 的寄存器,指出当前占用 CPU 的进程要执行的下一条指令的位置。
当分给某个进程的 CPU 时间已经用完,操作系统将该进程相关的寄存器的值,保存到该进程在进程表中对应的表项里面;
把将要接替这个进程占用 CPU的那个进程的上下文,从进程表中读出,并更新相应的寄存器。
(这个过程称为 "上下文切换(process context switch)",实际的上下文切换需要涉及到更多的数据,那和fork无关,
不再多说,主要要记住程序寄存器pc指出程序当前已经执行到哪里,是进程上下文的重要内容,
换出CPU的进程要保存这个寄存器的值,换入CPU的进程,也要根据进程表中保存的本进程执行上下文信息,更新这个寄存器)。

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好,了解了这些基础概念,可以说fork了,当我们的PHP脚本执行到下面的语句:
pid = pcntl_fork();

操作系统创建一个新的进程(子进程),并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序;
上下文和数据,绝大部分就是原进程(父进程)的拷贝,但它们是两个相互独立的进程!此时程序寄存器pc在父、子进程的上下文中都声称,
这个进程目前执行到fork调用即将返回(此时子进程不占有CPU,子进程的pc不是真正保存在寄存器中,
而是作为进程上下文保存在进程表中的对应表项内)。问题是怎么返回,在父子进程中就分道扬镳。

父进程继续执行操作系统对fork的实现,使这个调用在父进程中返回刚刚创建的子进程的pid(一个正整数),
所以后面的if语句中pid < 0, pid == 0 的两个分支都不会执行。所以输出:i am the parent process

接着子进程在之后的某个时候得到调度,它的上下文被换入,占据 CPU,操作系统对fork的实现使得子进程中fork调用返回0,
所以在这个进程中pid = 0(注意这不是父进程了哦,虽然是同一个程序,但是这是同一个程序的另外一次执行,
在操作系统中这次执行是由另外一个进程表示的,从执行的角度说和父进程相互独立)。
这个进程在继续执行的过程中,if语句中 pid < 0 不满足,但是 pid == 0 是true,所以输出:i am the child process

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我们可能比较困惑的就是:

为什么看上去程序中互斥的两个分支都被执行了,在一个程序的一次执行中,这当然是不可能的,
事实上你看到的两行输出是来自两个独立的进程,而这两个进程来自同一个程序的两次执行。

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fork之后,操作系统会复制一个与父进程完全相同的子进程,虽说是父子关系,但是在操作系统看来,他们更像兄弟关系,
这2个进程共享代码空间,但是数据空间是互相独立的,子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝,指令指针也完全相同,
但只有一点不同,如果fork成功,子进程中fork的返回值是0,父进程中fork的返回值是子进程的进程号,如果fork失败,
父进程会返回错误。可以这样想象,两个进程一直同时运行,而且步调一致,在fork之后,他们分别作不同的工作,也就是分岔了,
这也是fork为什么叫fork的原因。至于哪一个进程最先运行,这与操作系统平台的调度算法有关,而且这个问题在实际应用中并不重要,
如果需要父子进程协同运作,可以通过控制语法结构的办法解决。

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fork之前子进程可以继承父进程的东西,但是在fork()后子进程克隆父进程,之后和父进程就没有任何继承关系了。
也就是说在子进程里创建的东西是子进程的,在父进程创建的东西是父进程的,可以完全看成是两个独立的进程,毫不相干。

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在程序段里用了pcntl_fork()之后程序出了分岔,派生出了两个进程,具体哪个先运行就看该系统的调度算法了。
在这里,我们可以这么认为,在运行到"pid=pcntl_fork();"时系统派生出一个跟主程序一模一样的子进程。
该进程的"pid=pcntl_fork();"一句中 pid得到的就是子进程本身的pid;子进程结束后,
父进程的"pid=pcntl_fork();"中pid得到的就是父进程本身的pid,因此该程序有两行输出。

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pcntl_fork()函数克隆了当前进程的PCB,并向父进程返回了派生子进程的pid,父子进程并行,
打印语句的先后完全看系统的调度算法,打印的内容控制则靠pid变量来控制。
因为我们知道pcntl_fork()向父进程返回了派生子进程的pid,是个正整数;
而派生子进程的pid变量并没有被改变,这一区别使得我们看到了他们的不同输出。

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最后总结:

1. 父进程就是派生子进程的主进程,其pid不变。
2. 对子进程来说,fork()函数返回给它0, 但它自身的pid绝对不会是0;之所以fork()函数返回0给它,
   是因为它随时可以调用getpid()来获取自己的pid。
3. fork之后父、子进程除非采用了同步手段,否则不能确定谁先运行,也不能确定谁先结束。
   认为子进程结束后父进程才从fork返回的,这是不对的,fork不是这样的,vfork才这样。

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#pcntl_fork#

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用户评论:

Hunter
2017-04-01 15:12
感谢

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