從一道面試題談linux下fork的執行機制

今天一位朋友去乙個不錯的外企面試linux開發職位，面試官出了乙個如下的題目：

給出如下c程式，在linux下使用gcc編譯：

#include "stdio.h"
#include "sys/types.h"
#include "unistd.h"
int main()

要求如下：

已知從這個程式執行到這個程式的所有程序結束這個時間段內，沒有其它新程序執行。

1、請說出執行這個程式後，將一共執行幾個程序。

2、如果其中乙個程序的輸出結果是「pid1:1001, pid2:1002」，寫出其他程序的輸出結果（不考慮程序執行順序）。

明顯這道題的目的是考察linux下fork的執行機制。下面我們通過分析這個題目，談談linux下fork的執行機制。

這裡先列出一些必要的預備知識，對linux下程序機制比較熟悉的朋友可以略過。

1、程序可以看做程式的一次執行過程。在linux下，每個程序有唯一的pid標識程序。pid是乙個從1到32768的正整數，其中1一般是特殊程序init，其它程序從2開始依次編號。當用完32768後，從2重新開始。

2、linux中有乙個叫程序表的結構用來儲存當前正在執行的程序。可以使用「ps aux」命令檢視所有正在執行的程序。

3、程序在linux中呈樹狀結構，init為根節點，其它程序均有父程序，某程序的父程序就是啟動這個程序的程序，這個程序叫做父程序的子程序。

4、fork的作用是複製乙個與當前程序一樣的程序。新程序的所有資料（變數、環境變數、程式計數器等）數值都和原程序一致，但是是乙個全新的程序，並作為原程序的子程序。

有了上面的預備知識，我們再來看看解題的關鍵。我認為，解題的關鍵就是要認識到fork將程式切成兩段。看下圖：

上圖表示乙個含有fork的程式，而fork語句可以看成將程式切為a、b兩個部分。然後整個程式會如下執行：

step1、設由shell直接執行程式，生成了程序p。p執行完part. a的所有**。

step2、當執行到pid = fork();時，p啟動乙個程序q，q是p的子程序，和p是同乙個程式的程序。q繼承p的所有變數、環境變數、程式計數器的當前值。

step3、在p程序中，fork()將q的pid返回給變數pid，並繼續執行part. b的**。

step4、在程序q中，將0賦給pid，並繼續執行part. b的**。

這裡有三個點非常關鍵:

1、p執行了所有程式，而q只執行了part. b，即fork()後面的程式。（這是因為q繼承了p的pc-程式計數器）

2、q繼承了fork()語句執行時當前的環境，而不是程式的初始環境。

3、p中fork()語句啟動子程序q，並將q的pid返回，而q中的fork()語句不啟動新程序，僅將0返回。

解題下面利用上文闡述的知識進行解題。這裡我把兩個問題放在一起進行分析。

1、從shell中執行此程式，啟動了乙個程序，我們設這個程序為p0，設其pid為***（解題過程不需知道其pid）。

2、當執行到pid1 = fork();時，p0啟動乙個子程序p1，由題目知p1的pid為1001。我們暫且不管p1。

3、p0中的fork返回1001給pid1，繼續執行到pid2 = fork();，此時啟動另乙個新程序，設為p2，由題目知p2的pid為1002。同樣暫且不管p2。

4、p0中的第二個fork返回1002給pid2，繼續執行完後續程式，結束。所以，p0的結果為「pid1:1001, pid2:1002」。

5、再看p2，p2生成時，p0中pid1=1001，所以p2中pid1繼承p0的1001，而作為子程序pid2=0。p2從第二個fork後開始執行，結束後輸出「pid1:1001, pid2:0」。

6、接著看p1，p1中第一條fork返回0給pid1，然後接著執行後面的語句。而後面接著的語句是pid2 = fork();執行到這裡，p1又產生了乙個新程序，設為p3。先不管p3。

7、p1中第二條fork將p3的pid返回給pid2，由預備知識知p3的pid為1003，所以p1的pid2=1003。p1繼續執行後續程式，結束，輸出「pid1:0, pid2:1003」。

8、p3作為p1的子程序，繼承p1中pid1=0，並且第二條fork將0返回給pid2，所以p3最後輸出「pid1:0, pid2:0」。

9、至此，整個執行過程完畢。

所得答案：

1、一共執行了四個程序。（p0, p1, p2, p3）

2、另外幾個程序的輸出分別為：

pid1:1001, pid2:0

pid1:0, pid2:1003

pid1:0, pid2:0

進一步可以給出乙個以p0為根的程序樹：

下面我們去linux下實際執行這個程式，來驗證我們的答案。

程式如下圖：

用gcc編譯、執行後結果如下：

由於我們不太可能剛巧碰上pid分配到1001的情況，所以具體數值可能和答案有所差別。不過將這裡的2710看做基數的話，結果和我們上面的解答是一致的。

應該說這不是一道特別難或特別刁鑽的題目，但是由於fork函式執行機制的複雜性，造就了當兩個fork併排時，問題就變得很複雜。解這個題的關鍵，一是要對linux下程序的機制有一定認識，二是抓住上文提到的幾個關於fork的關鍵點。朋友說，這個題給的時間是5分鐘，應該說時間還算充裕，但是在面試的場合下，還是很考驗乙個人對程序、fork的掌握程度和現場推理能力。

希望本文能幫助朋友們對fork的執行機制有乙個明晰的認識。

張洋

從一道面試題談linux下fork的執行機制

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