嵌入式Linux：創(chuàng)建進(jìn)程

在 Linux 系統(tǒng)中，fork() 和 vfork() 是兩個(gè)常用的系統(tǒng)調(diào)用，用于創(chuàng)建新的進(jìn)程。

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fork() 系統(tǒng)調(diào)用

函數(shù)原型如下：

#include <unistd.h>pid_t fork(void);

返回值：調(diào)用 fork() 的進(jìn)程（父進(jìn)程）會(huì)得到一個(gè)返回值。在父進(jìn)程中，fork() 返回子進(jìn)程的進(jìn)程 ID (PID)；在子進(jìn)程中，fork() 返回 0；如果發(fā)生錯(cuò)誤，則返回 -1，并設(shè)置全局變量 errno。

1.1、工作機(jī)制

fork() 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程被稱為子進(jìn)程。子進(jìn)程幾乎是父進(jìn)程的完整副本，包括父進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段和打開的文件描述符。子進(jìn)程和父進(jìn)程之間的唯一區(qū)別在于它們擁有不同的進(jìn)程 ID，并且 fork() 的返回值不同。

內(nèi)存空間：盡管子進(jìn)程復(fù)制了父進(jìn)程的內(nèi)存空間，但實(shí)際上，現(xiàn)代 Linux 系統(tǒng)使用了“寫時(shí)復(fù)制”（Copy-on-Write, CoW）技術(shù)。只有在父進(jìn)程或子進(jìn)程試圖修改內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核才會(huì)真正為子進(jìn)程分配新的內(nèi)存。這種機(jī)制極大地提高了 fork() 的效率，避免了不必要的內(nèi)存復(fù)制。

1.2、使用場(chǎng)景

fork() 適用于需要?jiǎng)?chuàng)建子進(jìn)程來執(zhí)行與父進(jìn)程不同任務(wù)的場(chǎng)景。它在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、守護(hù)進(jìn)程和并行處理任務(wù)中被廣泛應(yīng)用。例如，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以使用 fork() 為每個(gè)客戶端請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)性。

示例如下：

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h> int main() {    pid_t pid = fork(); // 創(chuàng)建子進(jìn)程     if (pid < 0) {        // fork() 失敗        fprintf(stderr, "fork() 失敗n");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進(jìn)程        printf("這是子進(jìn)程, PID: %dn", getpid());    } else {        // 父進(jìn)程        printf("這是父進(jìn)程, 子進(jìn)程的 PID: %dn", pid);    }     return 0;}

在這個(gè)例子中，fork() 創(chuàng)建了一個(gè)新的子進(jìn)程。父進(jìn)程和子進(jìn)程會(huì)從 fork() 調(diào)用之后的代碼開始執(zhí)行，但它們各自運(yùn)行在獨(dú)立的內(nèi)存空間中。

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vfork() 系統(tǒng)調(diào)用

函數(shù)原型如下：

#include <sys/types.h>#include <unistd.h>pid_t vfork(void);

返回值：vfork() 的返回值與 fork() 相同。在父進(jìn)程中，返回子進(jìn)程的 PID；在子進(jìn)程中，返回 0；如果出錯(cuò)，則返回 -1 并設(shè)置 errno。

2.1、工作機(jī)制

vfork() 與 fork() 類似，用于創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，但它有不同的內(nèi)存管理機(jī)制。

vfork() 創(chuàng)建的子進(jìn)程與父進(jìn)程共享相同的地址空間，這意味著子進(jìn)程在調(diào)用 exec() 或 _exit() 之前，不會(huì)復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)存空間。這使得 vfork() 比 fork() 更加高效，特別是在子進(jìn)程很快就要執(zhí)行新的程序時(shí)。

共享地址空間：由于 vfork() 是為了在子進(jìn)程立即調(diào)用 exec() 或 _exit() 的場(chǎng)景下優(yōu)化的，因此子進(jìn)程和父進(jìn)程在 exec() 或 _exit() 之前共享同一內(nèi)存空間。這意味著如果子進(jìn)程在此期間修改了共享的內(nèi)存數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)知的后果。

執(zhí)行順序：vfork() 保證子進(jìn)程會(huì)先運(yùn)行，直到調(diào)用 exec() 或 _exit() 后，父進(jìn)程才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。這種行為確保了父進(jìn)程不會(huì)在子進(jìn)程完成執(zhí)行之前訪問可能被修改的共享內(nèi)存。

2.2、使用場(chǎng)景

vfork() 適用于子進(jìn)程需要立即調(diào)用 exec() 來執(zhí)行新程序的場(chǎng)景。例如，在 shell 腳本中執(zhí)行外部命令時(shí)，vfork() 可以提高效率。但由于 vfork() 在某些情況下會(huì)帶來潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)（例如子進(jìn)程誤修改父進(jìn)程的內(nèi)存），現(xiàn)代系統(tǒng)通常更推薦使用優(yōu)化后的 fork()。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h> int main() {    pid_t pid = vfork(); // 創(chuàng)建子進(jìn)程     if (pid < 0) {        // vfork() 失敗        fprintf(stderr, "vfork() 失敗n");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進(jìn)程：立即執(zhí)行新的程序        execlp("/bin/ls", "ls", NULL); // 執(zhí)行 ls 命令        _exit(0); // 使用 _exit 確?？焖偻顺鲎舆M(jìn)程    } else {        // 父進(jìn)程        printf("這是父進(jìn)程n");    }     return 0;}

在這個(gè)例子中，vfork() 創(chuàng)建了一個(gè)子進(jìn)程，并立即使用 execlp() 執(zhí)行 ls 命令。由于 vfork() 子進(jìn)程在執(zhí)行 exec() 之前與父進(jìn)程共享內(nèi)存，因此在調(diào)用 exec() 之前不能修改父進(jìn)程的數(shù)據(jù)，否則可能導(dǎo)致程序行為不確定。

fork() 和 vfork() 的區(qū)別總結(jié)：

• 內(nèi)存管理：fork() 通過寫時(shí)復(fù)制為子進(jìn)程創(chuàng)建獨(dú)立的內(nèi)存空間，而 vfork() 讓子進(jìn)程與父進(jìn)程共享內(nèi)存空間，直到子進(jìn)程執(zhí)行 exec() 或 _exit()。

• 效率：vfork() 比 fork() 更高效，特別是在子進(jìn)程需要立即執(zhí)行新程序時(shí)。但由于現(xiàn)代 Linux 內(nèi)核的寫時(shí)復(fù)制優(yōu)化，fork() 的效率也得到了顯著提升。

• 安全性：fork() 更加安全可靠，因?yàn)樗鼮樽舆M(jìn)程分配了獨(dú)立的內(nèi)存空間。而 vfork() 可能會(huì)帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)，建議在絕對(duì)需要優(yōu)化性能的情況下使用。

使用建議：

• 優(yōu)先使用 fork()：由于現(xiàn)代 Linux 系統(tǒng)已經(jīng)優(yōu)化了 fork()，在大多數(shù)情況下使用 fork() 是更為安全和通用的選擇。尤其是在編寫復(fù)雜的應(yīng)用程序時(shí)，fork() 可以減少不確定性和潛在的錯(cuò)誤。

• 在特定場(chǎng)景下使用 vfork()：如果需要?jiǎng)?chuàng)建子進(jìn)程并立即調(diào)用 exec()，可以考慮使用 vfork() 以提高效率。但應(yīng)確保在調(diào)用 exec() 或 _exit() 之前，不會(huì)對(duì)父進(jìn)程的內(nèi)存空間進(jìn)行任何修改。

理解 fork() 和 vfork() 的工作原理和差異，對(duì)于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高效并發(fā)的 Linux 程序至關(guān)重要。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，根據(jù)具體需求選擇合適的系統(tǒng)調(diào)用，將有助于提高程序的效率和穩(wěn)定性。