深入理解 `fork()`：父子进程的创建与文件共享

在多任务操作系统中，进程是程序执行的基本单位。Linux 提供了 fork() 系统调用，允许一个进程创建另一个新的进程，称为子进程。fork() 是 Linux 编程中非常重要的概念，尤其在并发编程和服务器开发中。本文将详细介绍 fork() 的工作原理、父子进程的关系以及文件共享机制，并通过代码示例和图表帮助你更好地理解。

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1. 什么是 fork()？

fork() 是一个系统调用，用于创建一个新的进程。调用 fork() 的进程称为父进程，新创建的进程称为子进程。子进程是父进程的副本，拥有与父进程相同的代码段、数据段、堆和栈，但它们是独立的进程，拥有各自的进程空间。

1.1 fork() 的函数原型

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

• 返回值：
  • 父进程：返回子进程的 PID（进程 ID）。
  • 子进程：返回 0。
  • 出错时返回 -1，并设置 errno。

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2. fork() 的工作原理

2.1 父子进程的执行流程

• 调用 fork() 后，操作系统会复制父进程的地址空间（包括代码段、数据段、堆、栈等）来创建子进程。
• 父子进程从 fork() 返回处开始执行，但它们的执行路径可能不同。
• 子进程拥有独立的进程空间，修改子进程的数据不会影响父进程。

2.2 父子进程的返回值

• 父进程通过返回值获取子进程的 PID。
• 子进程通过返回值（0）确认自己是子进程。

以下是一个简单的示例：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("子进程: PID = %d, 父进程 PID = %d\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 父进程
        printf("父进程: PID = %d, 子进程 PID = %d\n", getpid(), pid);
    }

    return 0;
}

输出示例：

父进程: PID = 1234, 子进程 PID = 1235
子进程: PID = 1235, 父进程 PID = 1234

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3. 父子进程的文件共享

3.1 文件描述符的继承

• 子进程会继承父进程打开的文件描述符。
• 父子进程的文件描述符指向相同的文件表项，因此它们共享文件偏移量。

3.2 文件共享的两种方式

方式 1：继承父进程的文件描述符

• 父进程在调用 fork() 前打开文件，子进程继承该文件描述符。
• 父子进程共享文件偏移量，写入操作会接续进行。

示例代码：

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

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {
        // 子进程写入
        write(fd, "子进程写入\n", 12);
        close(fd);
    } else {
        // 父进程写入
        write(fd, "父进程写入\n", 12);
        close(fd);
    }

    return 0;
}

文件内容：

父进程写入
子进程写入

方式 2：父子进程各自打开文件

• 父子进程分别打开同一个文件，文件描述符指向不同的文件表项。
• 父子进程的文件偏移量独立，写入操作可能相互覆盖。

示例代码：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {
        int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
        write(fd, "子进程写入\n", 12);
        close(fd);
    } else {
        int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
        write(fd, "父进程写入\n", 12);
        close(fd);
    }

    return 0;
}

文件内容：

父进程写入

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4. 父子进程的区别

特性	父进程	子进程
PID	返回子进程的 PID	返回 0
资源独立性	独立的内存空间	独立的内存空间
文件描述符	共享或独立	共享或独立
执行顺序	由调度器决定	由调度器决定
退出方式	使用 exit()	使用 _exit()

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5. fork() 的使用场景

5.1 并发服务器

• 父进程监听客户端请求，子进程处理具体请求。
• 示例：Web 服务器、数据库服务器。

5.2 任务分解

• 将复杂任务分解为多个子任务，由子进程并行处理。
• 示例：数据处理、图像渲染。

5.3 执行新程序

• 子进程调用 exec() 族函数执行另一个程序。
• 示例：Shell 执行命令。

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6. 总结

• fork() 是 Linux 中创建进程的核心机制，子进程是父进程的副本。
• 父子进程共享代码段，但拥有独立的数据段、堆和栈。
• 文件描述符可以共享，但父子进程的文件偏移量可能相互影响。
• 通过合理使用 fork()，可以实现并发编程和任务分解。

希望本文能帮助你更好地理解 fork() 的工作原理和应用场景！如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言。

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附录：父子进程的内存布局图

+-------------------+ 高地址
|       栈         | 父进程栈
|       ↓          |
|       ↑          |
|       堆         | 父进程堆
+-------------------+
|       BSS         | 父进程 BSS
+-------------------+
|       数据段      | 父进程数据段
+-------------------+
|       正文段      | 父子进程共享
+-------------------+ 低地址