Linux下C语言的fork()子进程函数用法及相关问题解析

fork
fork()函数是linux下的一个系统调用，它的作用是产生一个子进程，子进程是当前进程的一个副本，它跟父进程有一样的虚存内容，但也有一些不同点。
但是，值得注意的是，父进程调用fork()后，fork()返回的是生成的子进程（如果能顺利生成的话）的ID。子进程执行的起点也是代码中fork的位置，不同的是下面这段C语言代码展示了fork()函数的使用方法：

// myfork.c

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

int main(int argc, char **argv) {
  while (1) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) {
      // 主进程
      sleep(5);
    } else if (pid == 0) {
      // 子进程
      return 0;
    } else {
      fprintf(stderr, "fork error\n");
      return 2;
    }
  }
}

调用fork()函数后，系统会将当前进程的绝大部分资源拷贝一份（其中的copy-on-write技术这里不详述），该函数的返回值有三种情况，分别是：
1.大于0，表示当前进程为父进程，返回值是子进程号；
2.等于0，表示当前进程是子进程；
3.小于0（确切地说是等于-1），表示fork()调用失败。

看两个比较有意思的C语言题目。
 
第一题：计算下面代码理论上总共打印了多少行：(网易2011笔试题)

#include
#include
#include
int main(){
    int i;
    for(i = 0; i<5; i++){
        fork();
        printf("%d\n",getpid());
        fflush(stdout);
    }
}

问题解答：
这道问题并不难，最快的想法就是2+4+8+16+32，因为第一层的printf会有两个进程打印，第二层会增加到4个，以此往下，就得出62行。
 
但我这里打算采用另外一种方法，一种更加直观的方法，就是直接数出来，这样会避免大脑短路，而且对下一题目有帮助。
 
要直接数出来也很简单，只是有些繁琐，因为每循环一次，都会打印一行并且产生一个子进程，子进程又会继续循环打印并产生新的进程。我们可以在草稿纸上画一棵树，画出每个进程的子进程以及循环次数，如果你眼力够好，脑子不容易乱，这种方法很快会让你得到正确答案。但我恰好脑子不是能够保证清醒的人，画了三遍树得到的都是错误答案。
 
随后，我在纸上用了一种更简单的数据结构——队列进行计算，并且顺利得出了答案。我是这样计算的：

首先，主进程会循环5次，则我们将5压入到队列中：

queue =" 5 ";
sum = 0; //sum是总打印次数

主进程会循环5次，打印5行并且产生5个子进程，这5个子进程分别会打印5，4，3，2，1行，则我们将这5个数放入队列，并将第一个5出队列加入到sum中：

queue = " 5 4 3 2 1 ";
sum = sum + 5;

这样，我们再取队列首元素，即5，他会打印5行，并且生成4个子进程，子进程的分别会打印4，3，2，1行，我们把这4个数放入到队列中，并将第一个5出队列加入到sum中：

queue = " 4 3 2 1 4 3 2 1";
sum = sum + 5;

我们继续重复上面的工作，取首元素4，他会打印4行，并且会声称3个子进程，子进程分别打印3，2，1行，重复上面的入队列和出队列操作：

queue = " 3 2 1 4 3 2 1 3 2 1 ";
sum = sum + 4;

这样，以此重复以上的操作，当遇到元素1的时候，只有出队列而没有入队列的操作，因为只打印1行的子进程不会再循环产生新的子进程。最后，当队列中不再有元素的时候，sum就是总共打印的行数。
 
这种方法的有点是你可以很轻松、很清醒的在纸上把队列写出来并算出答案，缺点是如果你加法不好，很容易算错答案！
 

第二题：问下面的代码执行后总共产生了多少进程（不包括主进程）？（2009 EMC笔试）

#include
int main(){
    fork();
    fork() && fork() || fork();
    fork();
}

这个题目跟上一个对比起来就稍微有点难度了，因为你就算画树也有可能算错！
 
我个人感觉这个题目考察两方面的知识：1、开头所讲的fork()返回值；2、&&和||的运算。
 
让我们现讨论下&&和||的运算再来继续讨论这个题目。&&是“逻辑与”操作，如果两个操作数有一个为0，则整个式子为0。标准C中规定，如果&&运算符的左操作数为0，则不计算右操作数；如果左操作数为1，才计算右操作数。
与之类似，||操作符是“逻辑或”操作，标准C规定如果||运算符左操作数为1，则不计算右操作数；如果左操作数为0，则计算右操作数。
 
继续来看我们的题目，我们把题目中的5个fork()分别标记为A,B,C,D,E。则我们可以看到，主进程一共产生4个进程，分别产生在A,B,C,E位置上（B,C两个fork()返回值都不是0，因此B&&C不为0，因此不计算D）。让我们仍然采用上题的算法，使用一个队列：

首先，将主进程产生子进程的位置放到队列中：

queue = " A B C E ";
sum = 0;

我们从队列中取首元素A，我们分析A处产生的进程，发现它会在B, C, E三处产生子进程，我们把这三个元素插入到队列中，并将sum+1。

queue = " B C E B C E ";
sum ++;

然后，我们从队列中取出首元素B，B处产生的子进程稍稍不一样，因为子进程中B所代表的fork()返回值为0，因此C得不到执行，而D会得到执行。因此，B处产生的子进程会执行D, E，将这两个元素送入队列，sum++：

queue = " C E B C E D E ";
sum ++;

下面，我们取首元素C，分析发现，C处产生的进程会执行D, E,送入队列并且sum++:

queue = " E B C E D E D E ";
sum ++;

同上一题一样，依次这样执行，遇到E则没有元素入队列，直到最后队列为空，sum就是总共产生的进程个数。