【Linux我做主】探秘进程与fork

父子进程和fork

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前言

​ 在前文从冯诺依曼体系到进程中，我们认识了进程的概念。在操作系统中，进程是程序执行的基本单位。Linux下进程是由一个个的task_struct组织起来的。Linux通过task_struct结构体管理进程，其中包含进程的所有属性。本文将从进程的标识符（PID）入手，深入探讨如何通过fork系统调用创建子进程，并分析其背后的深层次原理。

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1. 进程的标识符PID

每个进程都有一个唯一的进程标识符（PID），用于在系统中唯一标识该进程。

1.1 查看系统内所有的进程

在Linux中，可以通过ps命令查看进程的PID

命令：ps

选项：ajx等

ps -ef       # 显示所有进程的详细信息
ps aux       # 显示所有用户的所有进程,重在用户# 我们一般上使用 ps ajx 查看系统内所有的进程
ps ajx    # 查看系统内所有的进程./proc  # 以运行proc进程为例
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep

ps ajx演示：

我们一般在进行grep进程时，会过滤出grep命令本身，因为grep命令也是一个进程

隐藏掉grep关键字的命令：ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep

• && 表示左边的命令执行完，紧接着执行右边的命令。左边的命令执行成功，右边的命令也要执行成功。
• ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc 该命令得到的结果会同时显示proc进程和grep进程。
  • 如果我们不想显示grep进程，可以使用管道，对上述命令的结果再进行grep
  • ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep
    • -v选项配合管道，在已有的结果中反向匹配grep，可以隐藏掉grep关键字

1.2 kill杀掉进程

命令：kill [选项] PID

常用选项：-9

功能：

• kill PID是温柔的杀掉这个进程
• kill -9 PID向指定PID的某个进程发送9信号，暴力的杀掉这个进程

演示：

kill -9 760776   # 强制终止PID为760776的进程

• kill -9 760776的结果如下：
  

当使用不带 -9 选项的 kill PID 命令时，默认会向目标进程发送 SIGTERM 信号（信号编号为 15）。与 kill -9（发送 SIGKILL 信号）的强制终止不同，SIGTERM 是一种更“友好”的终止方式，(信号部分之后的文章会介绍，)目前介绍区别如下：

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kill PID（默认发送 SIGTERM）的行为：

1. 允许进程优雅退出
   进程收到 SIGTERM 后，可以执行清理操作（如保存数据、关闭文件、释放资源等），然后自行终止。
2. 进程可以捕获或忽略 SIGTERM
   如果进程代码中注册了信号处理函数（例如通过 signal() 或 sigaction()），它可以自定义对 SIGTERM 的响应（如延迟退出或忽略信号）。
3. 可能无法立即终止进程
   如果进程因代码缺陷、死锁或无限循环无法响应 SIGTERM，它可能不会退出。此时需手动使用 kill -9 强制终止。

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kill -9 PID（发送 SIGKILL）的行为：

1. 强制立即终止进程
   SIGKILL 信号无法被进程捕获或忽略，操作系统会直接终止进程，不给进程任何清理的机会。
2. 可能导致资源泄漏
   进程无法执行清理操作，可能导致临时文件残留、内存未释放、文件句柄未关闭等问题。
3. 适用于“无响应”的进程
   当进程对 SIGTERM 无响应时，SIGKILL 是最后手段。

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使用建议：

1. 优先使用默认的 kill PID（SIGTERM）
   给进程机会优雅退出，避免数据丢失或资源泄漏。
2. 仅在必要时使用 kill -9（SIGKILL）
   例如进程完全卡死、僵尸进程或恶意进程等情况。

扩展知识：

• 查看所有信号：kill -l

• 常用信号：

  • SIGHUP (1)：挂起（重新加载配置）
  • SIGINT (2)：中断（同 Ctrl+C）
  • SIGTERM (15)：终止
  • SIGKILL (9)：强制终止

通过合理选择信号，可以更安全地管理系统进程。

1.3 获取进程的PID

• Linux操作系统中，描述系统进程的task_struct是用双向链表组织的
• ps ajx的作用，相当于遍历task_struct的链表，拿到所有进程的相关属性，打印出来，供我们查看PID
• 既然可以拿到所有进程的相关属性，那么对于一个特定进程的PID，应当也是可以获取到的

操作系统不相信任何用户，不能让用户通过task_struct.pid的方式通过结构体直接访问PID。因此操作系统一定对外提供了系统调用接口，供用户访问task_struct内描述进程的相关属性。

在Linux中，可通过系统getpid()或getppid()调用获取进程的PID：

• pid_t getpid()：获取当前进程的PID。
• 进程都是被创建出来的，一个进程除了有自己的PID，也有自己的父进程，父进程的PID也可以被获取到
• pid_t getppid()：获取父进程的PID。
• 返回值类型均为pid_t，本质是int的类型别名。typedef int pid_t

getpid代码演示

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = getpid();pid_t ppid = getppid();  // pid_t 本质是有符号整数while (1) {printf("I am a precess, my ID is %d, my parent ID is %d\n", pid, ppid);sleep(1);}
}

• 我们可以手动将ps ajx配合grep命令，制作一个系统内进程监控脚本，监控系统内进程的信息。

while :; do ps axj | head -1 ; ps ajx | grep proc | grep -v grep | grep -v .vscode; sleep 1; done

• sleep 1：每秒执行一次

• ps axj | head -1 ; ps ajx | grep proc | grep -v grep | grep -v .vscode：过滤我们的proc进程，不显示grep命令本身的进程和.vscode远程连接的进程

• 我们可以手动在终端中执行以上命令。也可以将以上内容保存在一个后缀为.sh的文件中，这里我选择保存为一个sh文件，并命名为monitor.sh

  • 保存后，为当前文件增加执行权限后并执行

    chmod u+x monitor.sh  # 增加执行权限
    bash monitor.sh  # 执行脚本
    

• 运行效果如下：

• 这样就实现了系统内运行进程的实时监控，我们利用该脚本来监测我们启动的进程

• 可以看到：
  • 进程启动前，检测脚本未检测到任何内容
  • 进程启动后，检测脚本就检测到了我们启动的proc进程
  • 且ps ajx查看到的PID及PPID和getpid()和getppid()获取到的内容完全一致！！！
• 这样我们就可以通过PID来对进程进行管理了

1.4 bash与父子进程

观察以下现象，注意proc进程的PID

• 一个程序，多次启动时PID在变。

• 一个程序，多次启动时PID在变。。

  • 这是因为：PID只保证在每次运行期间有效，下次启动，操作系统为该进程分配的PID可能会变化，这是正常的。

• 一个程序，多次启动时的PID在变，其父进程的PID一直不变。这是为什么？父进程的PID一直是761739，这里的父进程是什么进程？

• 我们来查看PID为761739的进程

  ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 761739
  

  

• 这里可以清楚的看到，761739在这里就是我们的命令行解释器bash!

Bash（命令行解释器）本身是一个进程，用户执行的命令（如ls、./a.out等）均为Bash的子进程。Bash的PID在单次登录会话中固定，但重新登录后会变化。

我们在命令行解释器bash中，执行的所有指令(包括命令和./执行的程序)的父进程，就是bash本身

1. 每次重新登陆xshell时，Linux系统会单独为我们创建一个bash进程，即为我们创建一个命令行解释器进程，帮我们在显示器中打印出命令行终端

2. 我们在命令行解释器中，执行或输入的所有指令和程序，bash都会为我们创建进程，这些程序都是bash的子进程
   bash只负责命令行解释，具体执行出问题时，只会影响对应的子进程。因此在同一登陆状态下，指令和程序的父进程PID不变，也就是bash的PID不变

3. 一个bash有一个PID，多开多个bash，会有多个bashPID。进程主要维护父子关系

./操作执行程序或者命令时，就是操作系统为我们创建了一个进程，在操作系统上运行

父子进程关系特点：

1. 父进程负责管理子进程。
2. 子进程退出后，父进程需要通过wait系统调用回收资源。
3. 若父进程先退出，子进程会成为“孤儿进程”，由init进程（PID=1）接管。

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2. 创建进程与fork

2.1 fork创建子进程

以上我们介绍了获取父子进程PID相关的知识，那么我们用户可否创建一个进程呢

我们目前已知的创建进程的方式，

• ./exe操作，执行程序或者执行命令时，就是操作系统为我们创建了一个进程，在操作系统上运行

这种方式是我们手动创建进程，那么可否在程序运行时创建进程呢？

Linux内核为我们提供了系统调用fork()，用于为当前进程创建一个子进程。

fork是Linux中创建子进程的核心系统调用，其独特的行为常引发初学者的困惑

使用man 手册查看fork函数的用法

man 2 fork  

• 函数名和功能：fork

  • 为当前调用fork的进程创建一个子进程。
  • 新进程为子进程(child process)，当前调用进程为父进程(parent process)
  • 子进程复制父进程的代码、数据、堆栈和打开的文件描述符。

• 头文件：<sys/types.h>和<unistd.h>

• 参数类型：void 无需传参

• 返回值：类型为pid_t，这里pid_t是int的类型别名。typedef int pid_t

  • 

• 根据文档介绍，

  • 创建子进程失败时，在原进程中返回-1，并设置errno
  • 成功时：
    • 在父进程中返回子进程的PID
    • 在子进程中返回0

fork的简单使用：

int main(){printf("before: only one line\n");fork();printf("after: only one line\n");sleep(1);
}

这里我们不免会有疑惑？？？

==fork之后的代码，执行了两次！！！==这是为什么？

先给出结论：fork之后的代码，父子进程是共享的，既然父子进程各有一份代码(共享)，那fork之后的代码执行了两次就可以说得通了

再看如下代码和现象：

• 这里./proc是当前进程，fork之后，现象是：代码被一分为二了，两个循环各自在执行，父子进程各执行一个循环。这说明，id == 0 和 id > 0 同时成立了，且根据进程的PID，我们可以得出：
  • 执行fork之后当前进程是父进程
  • 其子进程是由fork创建的
  • 当前进程的父进程是bash进程
• fork之后一定存在两个进程，存在两个执行流

以上种种现象，我们不免产生很多疑问？？？

• 1. 为什么fork要给子进程返回0，给父进程返回子进程的pid呢？为什么父子进程的返回值不同呢？
• 2. 一个函数，怎么会有两个返回值，如何做到返回两次呢？
• 3. 变量id接收fork的返回值，为什么一个变量可以有两个不同的值？
• 4. fork函数究竟做了什么？

这些问题我们后文会一一解答

2.2 fork困惑的解释

• 结合fork的翻译，分支，分叉，代表我们的代码在fork这里要进行分叉。

0. fork的工作原理

1. 创建子进程的PCB：内核为子进程分配新的task_struct。
2. 复制父进程上下文：子进程继承父进程的代码段、数据段、堆栈和文件描述符表。
3. 分流执行：fork返回后，父子进程从同一位置继续执行，但通过返回值区分逻辑分支。

1. 为什么给子进程返回0，给父进程返回子进程PID

一般而言，fork之后的代码，父子共享

解答这个问题，先思考我们为什么要创建子进程？

• 是为了让父子进程协作，执行不同的事情，因此需要想办法让父子进程执行不同的代码块。为了让父子进程协同，执行不同的执行流，就设计了fork返回值要不同

为什么要父子进程要分别返回不同的值？

• 是为了在fork之后，可以根据不同的返回值区分父子进程，来让父子进程执行不同的代码片段
• 返回不同的返回值，是为了区分。让不同的进程执行流，执行不同的代码块

为什么给子进程返回0，给父进程返回子进程的PID？

• 一个子进程只会有一个父进程，一个父进程可能会有多个子进程

• 父进程需要管理多个子进程，通过PID区分不同子进程。

  • 父进程需要区分不同的子进程：给父进程返回子进程的PID，用来标识子进程的唯一性，方便直接通过不同的PID，对不同的子进程直接做控制

• 子进程只需确认自身身份，返回0简化逻辑判断。

  • 子进程只有一个父进程。标识子进程，只需要在父进程内判断fork的返回值是否PID == 0即可标识子进程。子进程得到父进程的PID，只需要调用getppid()函数即可。

2. 一个函数如何做到返回两次？如何理解？

2.1 为什么父子进程共享fork之后的代码

原因如下：

原因如下：

• 进程 = 内核数据结构 + 代码和数据

• fork创建子进程，也就是内存中多了一个进程，Linux操作系统会为该子进程创建一个task_struct

• 创建子进程前，该进程有自己的task_struct和代码和数据。创建子进程，操作系统层面只创建了子进程的task_struct，子进程没有自己的代码和数据，只能和父进程共享同一份代码。数据呢？(下文解释)

• 因此fork之后，父子进程共享后续的代码

fork之后，父子进程共享后续的代码。fork之后父子进程执行的代码一样，那我们为什么要创建子进程呢？我们的目的就是为了让父子进程协同起来分别做不同的事情。因此需要想办法让父子进程执行不同的代码块。让fork函数具有不同的返回值就是为此设计的。

那么fork如何设计实现了以上功能？

2.2 理解一个函数做到返回两次

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main() {printf("begin:我是一个进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());pid_t id = fork();if (id == 0) {  // 子进程分支while (1) {printf("我是子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}} else if (id > 0) {  // 父进程分支 成功时，子进程的PID > 0  返回到父进程while (1) {printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}} else {// error}return 0;
}

• fork有不同的返回值? 一个函数如何做到返回两次

解释如下：

• 任何一个函数在即将return时，这个函数的核心功能就已经完成了。

• fork是一个函数，内部的实现是要创建子进程。return之前，父子进程都已存在，各自有独立的task_struct且可以被CPU调度。此时在临界执行return之前，父子进程的task_struct(PCB)都已存在了，父子进程也都已存在。

return执行之前父子进程均已创建完成，且可以被CPU调度。创建子进程后，父子进程代码共享，return语句也属于代码，因此父子进程共享return语句。CPU分别调度父子进程，父子进程分别执行了return，就实现了一个函数返回两次

fork在即将执行return之前，创建子进程的工作已经完成了，子进程也允许被CPU调度了，之后的return代码父子进程共享，父和子进程分别执行return，因此fork函数就实现了返回两次

2.3 fork函数内做了什么？

综上我们可以总结出fork内部究竟做了什么：

• 创建子进程
• 为子进程创建PCB
• 用父进程的字段初始化子进程
• 让父子进程实现代码共享
• …其他工作

3. 一个id变量里面怎么会有两个值

任何平台下，进程在运行时具有独立性！进程的运行互不干扰

• 一个id变量里面有两个值的现象，实际是通过写时拷贝实现的

• 子进程刚被创建时，代码和数据都是父子进程共享的
  代码加载到内存中后，是不可修改的，因此代码直接父子共享。

• 子进程在读取父进程的数据时，数据也是共享的。当子进程尝试修改父进程的数据时，操作系统为子进程新分配一块内存空间，让子进程对待修改数据的拷贝进行修改，修改多少内容，就申请多少空间，从而不会影响到父进程的数据，该过程称为写时拷贝

以上称为父子进程之间，数据层面的写时拷贝，写时拷贝保证了父子进程间数据的独立性，避免了父或子进程修改数据后对子或父进程的数据产生影响

3.1 写时拷贝

fork之后父子进程共享代码段，但数据段通过写时拷贝（COW——Copy-On-Write）技术实现高效复制。

原理：

• 子进程创建时，与父进程共享物理内存。
• 当子进程尝试修改内存时，内核会为该内存页创建副本，确保修改独立。

优点：

• 减少内存全量复制开销。
• 提高fork的执行效率

3.2 fork中的写时拷贝

• return时，return是对id做写入。
• return语句父子进程共享，父子进程分别return。
• 父进程return时，直接对id做写入，子进程return时，对id做写时拷贝

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3. 进程与调度器

问题：fork()后父子进程谁先运行？
当调用 fork() 创建子进程后，父子进程会被同时放入操作系统的就绪队列中等待执行。它们的运行顺序由操作系统的进程调度器决定，用户无法预测。这是操作系统的核心设计原则之一：调度器保证公平性，而非确定性。因此fork()后父子进程谁先运行，无法确定，取决于调度器。

调度器的工作原理

1. 进程的组织形式
   所有进程的PCB（进程控制块）以数据结构（如链表、队列、树等）组织在内存中，例如：

   • 就绪队列：等待CPU时间的进程

   • 阻塞队列：等待I/O或其他资源的进程

2. 调度器的核心任务
   调度器从就绪队列中选择一个进程分配CPU时间，具体流程如下：

   • 触发时机：时钟中断、进程阻塞、进程退出等。

   • 选择算法：通过调度算法（如时间片轮转、优先级调度）选择下一个进程。

   • 上下文切换：保存当前进程的CPU状态（寄存器、程序计数器等），加载目标进程的上下文。

3. 常见的调度算法

   算法	特点
   先来先服务 (FCFS)	简单，但可能导致“饥饿”现象
   时间片轮转 (RR)	每个进程分配固定时间片，公平性强，适合交互式系统
   优先级调度	高优先级进程优先执行，需防止低优先级进程“饿死”
   多级反馈队列	结合时间片和优先级，动态调整进程优先级，兼顾响应时间和吞吐量

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为什么单核CPU能“同时”运行数百个进程？

1. 并发假象
   调度器通过快速切换进程（纳秒级时间片）营造“并行”假象。例如：

   • 进程A运行5ms → 切换到进程B运行5ms → 切换回进程A……

   • 人类无法感知微小的时间片切换，因此感觉多个进程在“同时”运行。

2. 父子进程的竞争
   在 fork() 后，父子进程进入就绪队列，可能发生以下情况：

   • 父进程先获得CPU时间（常见，因父进程可能处于活跃状态）。

   • 子进程先获得CPU时间（可能因父进程被阻塞或时间片耗尽）。

   • 父子进程交替执行（取决于调度策略和系统负载）。

4. bash与fork

bash也是通过fork创建子进程的

Bash执行命令的流程
当在Bash中输入命令（如 ls -l）时，Bash的底层操作如下：

1. fork()：创建子进程

   • 子进程复制父进程（Bash）的内存、文件描述符、环境变量等。

   • 优化技术：写时复制 (Copy-On-Write)，仅在数据被修改时复制内存，减少开销。

2. exec()：加载新程序

   • 子进程调用 exec() 系统调用，用目标程序（如 /bin/ls）替换当前内存空间。

3. wait()：父进程等待

• Bash（父进程）调用 wait() 阻塞自身，直到子进程结束并回收资源。

• 若未调用 wait()，子进程退出后会成为僵尸进程（Zombie），占用系统资源。

5. 结语

​ 进程是操作系统资源分配的基本单位，而 fork 作为创建子进程的核心机制，通过代码共享、写时拷贝和调度器的协同工作，实现了高效的多任务管理。理解父子进程的关系、fork 的“分流”特性以及调度器的随机性，是掌握进程管理的关键。无论是 bash执行命令时的隐式 fork，还是程序内显式创建子进程，本质都在通过进程的独立性完成并发任务。写时拷贝技术平衡了性能与资源隔离，而调度器的公平策略让单核 CPU 也能营造“并行”假象。希望本文为你揭开了进程与 fork 的神秘面纱

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