创建进程
多道程序环境中，需要创建进程的情况通常有四种：用户登录、作业调度、用户请求和应用请求。当一个程序执行时，它可能需要申请一些资源，比如打开某个文件，请求某项服务等，根据之前讲解的知识，遇到这种情况，进程会进入睡眠态，并放弃占用的CPU。若要申请的资源与之后的操作并不冲突，为了保障当前进程的持续执行（走完当前的时间片），此时可以在内存中，再创建一个进程，让新的进程代替原进程执行资源申请的工作。
1、 创建一个进程
Linux使用fork()函数创建进程。fork函数是Linux多任务系统实现的基础，它包含在函数库unistd.h中，其函数声明如下：
pid_t fork(void);调用fork()函数创建的进程称为子进程，调用fork()函数的进程为父进程。调用fork()函数后，系统会创建一个与原进程近乎相同的进程，之后父子进程都继续往下执行，如图1所示。
图1 fork()函数创建子进程
一般情况下，C风格的函数只能有一个返回值，但fork()函数非常特殊，“它”能返回两个值。当然，并不是因为fork()函数的构造特殊，而是因为，fork()函数调用后，若子进程创建成功，那么原程序会被复制，也就有了两个fork()函数。子进程创建成功后，父进程中的fork()函数会获得子进程的pid，子进程中的fork()函数返回0；若子进程创建失败，原程序不会被复制，父进程的fork()函数返回-1。
下面通过一个案例，来展示fork()函数的使用方法。
案例1：使用fork()函数创建一个进程，进程创建成功后使父进程与子进程分别执行不同的功能。
案例实现如下：
test_fork.c
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 int main()
5 {
6 pid_t pid;
7 pid=fork(); //调用fork()函数创建子进程
8 if(pid==-1) //创建失败
9 {
10 perror("fork error");
11 exit(1); //退出进程，指定返回值1
12 }
13 else if(pid>0) //父进程
14 {
15 printf("parent process,pid=%d,ppid=%d\n",getpid(),getppid());
16 }
17 else if(pid==0) //子进程
18 {
19 printf("child process,pid=%d,ppid=%d\n",getpid(),getppid());
20 }
21 printf("........finish..........\n");
22 return 0;
23 }编译程序文件test_fork.c，指定可执行文件名为test_fork，在程序所在目录下执行test_fork，程序的执行结果如下所示：
[itheima@localhost ~]$ ./test_fork
parent process,pid=3336,ppid=2707
........finish..........
child process,pid=3337,ppid=3336
........finish..........根据执行结果可以得知，父进程的pid为3336，子进程的pid为3337，在父进程pid 的基础上加1；父进程也有父进程，其ppid为2207。子进程创建成功，且父子进程分别执行了不同的功能。
读者可能会有疑惑：为什么代码21行的printf()函数打印了两次finish呢？其实由图6-3就能看出，调用过fork()函数之后，程序变为了两份，每份程序在结束前，都打印了一次finish。而案例1中多线程实现多任务的实质，是父子进程根据两个程序中fork()函数不同的返回值，分别执行不同的分支，因此程序的执行结果中finish被打印了两次。
思考1：
多次执行文件test_fork，发现这种情况：child process后输出的ppid不等于parent process，而等于1。这是什么原因？
2、 创建多个进程
计算机能实现的功能是很复杂的，可能在一个进程执行的过程中，需要创建多个线程，这些进程又需分别申请不同的资源，或执行其它操作。假设现在要求进程创建5个子进程，很容易便会想到使用循环：将fork()函数放在循环结构中，循环5次，就能创建5个进程。那么实际情况是不是这样呢？我们来验证一下。
对案例1中的代码进行修改，使用以下代码替代案例1第7行的代码：
int i;
for(i=0;i<5;i++)
{
pid=fork();
}再次编译源程序，在命令窗口执行可执行文件，按下回车，执行结果将被输出。按照预期，执行结果中应打印6条进程信息，但实际输出信息的数量远远超过6条。对代码进行分析：当第一次循环结束时，父进程创建了一个子进程，如图2所示。
图2 第一次循环
前面小节中讲到：每次调用fork()函数，系统会复制原程序。那么此时系统中应有两份test_fork文件；之后两个test_fork文件都继续向下执行，也就是父进程与其创建的子进程1，都会进行第二次循环，那么产生的进程如图3所示：
图3 第二次循环
按照这种规律，每一次循环后，进程的总数应为当前进程数量的两倍，5次循环之后，实际进程的数量应为25，也就是32个，这显然与设想不符。
结合原设想，分析循环过程，可以发现，我们本来只希望父进程可以创建新进程，但实际执行时，子进程也会创建进程，因此，应该在for循环中添加一个判断：若当前进程不是父进程，那么就跳出循环。
按照这个思路，再次设计代码，为了使输出结果格式清晰，案例2中删除打印finish的printf()。代码实现如下。
案例2：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4
5 int main()
6 {
7 pid_t pid;
8 int i;
9 for(i=0;i<5;i++){ //循环创建进程
10 if((pid=fork())==0) //若当前进程为子进程，便跳出循环
11 break;
12 }
13 if(pid==-1){
14 perror("fork error");
15 exit(1);
16 }
17 else if(pid>0){ //父进程
18 printf("parent process:pid=%d\n",getpid());
19 }
20 else if(pid==0){ //子进程
21 printf("I am child=%d,pid=%d\n",i+1,getpid());
22 }
23 return 0;
24 }编译程序，执行可执行文件，执行结果如下：
I am child=4,pid=2945
parent process:pid=2941
I am child=1,pid=2942
I am child=5,pid=2946
[itheima@localhost ~]$ I am child=3,pid=2944
I am child=2,pid=2943
|（终端提示符）观察程序执行结果，该结果中共打印了6条进程信息，由此可知程序已实现了我们的最初设定，案例2实现成功。
进程创建是Linux编程学习中重要的一项，理解进程创建的过程，才能避免在日后的学习工作中创建进程时可能发生的一些错误，读者应能理解进程的创建过程，并熟练运用fork()函数，根据程序需求创建进程。
思考2：
观察案例2的输出结果，会发现输出结果有以下问题：
（1）子进程的编号不是递增的；
（2）终端提示符后面仍有子进程信息打印，而命令提示符在最后一行的开头闪烁。
这是为什么？
3、 父子进程间共享
当进程调用fork()函数创建子进程后，子进程可以访问到与父进程完全相同的代码信息、数据信息和堆栈信息，因此我们认为fork()函数调用后，系统将父进程空间中的数据完全给了子进程，其实不然。早期的Unix系统确实采用完全复制的方式，但这种方式即浪费空间，又消耗时间，效率比较低下；现在的Unix和Linux系统经过优化，在调用fork()函数时，采用“读时共享，写时复制”机制。
在讲解读写机制前，我们先来了解fork()函数工作的详细过程：fork()函数创建子进程后，子进程获得了父进程的数据空间、堆栈、页表等的复制，此时父子进程中变量的虚拟地址相同，虚拟地址对应的物理地址也相同，父子进程共享物理内存中的页面信息，但为了防止一方修改，导致另一方出现访问异常，系统将页面信息标记为只读，fork()函数执行完毕。
之后父子进程都继续向下执行：此时子进程中拥有与父进程相同的页表，若进程只需进行数据的访问，到对应的物理地址中便能获取数据，因为父子进程相同的虚拟空间对应相同的物理地址，其访问机制如图4所示：
图4 读时共享
若子进程要对数据段、堆栈中的数据进行修改，系统将待操作的数据复制到内存中一块新的区域，修改副本数据权限为可写，之后子进程修改数据的副本，如此父子进程就能保存各自的数据，父子进程中相同的虚拟地址对应内存中不同的物理地址。访问机制如图5所示：系统将物理块1中待修改的数据赋值到物理块2，子进程访问物理块2中数据，执行修改操作。
图5 写时复制
需要注意的是，同样的虚拟地址可能会对应不同的物理地址。这是因为虚拟地址是与进程关联的，每个进程都有一段0~4G的虚拟内存，因此多个进程中会有数据处于相同的虚拟地址；但“虚拟内存”只是系统管理内存的一种技术，目的是使进程认为自己拥有的是一段连续的地址空间，方便地址分配与数据管理，但它不是“实际”的，进程中的数据实际存在于内存对应的物理空间，因此同样的虚拟地址可以对应不同的物理地址。
多学一招：进程的执行顺序
读者是否留意到前面小节中的思考1与思考2？出现这种情况，是因为父进程先于子进程终止。在Linux系统中，子进程应由父进程回收，但是当子进程被创建后，它与它的父进程及其它进程共同竞争系统资源，所以父子进程执行的顺序是不确定的，终止的先后顺序也是不确定的。
案例1中，父进程先于子进程终止，子进程变为“孤儿进程”，后由进程init接收；案例2中，创建了5个子进程，这5个子进程与父进程共同竞争资源，6个进程使用cpu的顺序不确定，因此子进程的编号不是递增关系，父进程在子进程尚未全部终止前便终止。另外，父进程是一个前台进程，当它终止退出后，会释放命令提示符，输出当前工作路径及终端提示符“[itheima@localhost ~]$|”，但此时尚有子进程仍在执行，终端仍有信息输出，因此命令提示符会出现在输出结果最后一行的开头。
解决这种问题的方法不止一种，读者容易理解的方法是：使用sleep()函数，暂缓进程执行。以案例2为例，在其中添加sleep()函数，修改后的代码如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4
5 int main()
6 {
7 pid_t pid;
8 int i;
9 for(i=0;i<5;i++){
10 if((pid=fork())==0)
11 break;
12 }
13 if(pid==-1){
14 perror("fork error");
15 exit(1);
16 }
17 else if(pid>0){
18 sleep(5);
19 printf("parent pid=%d\n",getpid());
20 }
21 else if(pid==0){
22 sleep(i);
23 printf("I am child%d pid=%d\n",i+1,getpid());
24 }
25 return 0;
26 }重新编译该文件，执行程序，观察到每隔1秒，屏幕会打印一行信息，执行结果如下所示：
I am child1 pid=2906
I am child2 pid=2907
I am child3 pid=2908
I am child4 pid=2909
I am child5 pid=2910
parent pid=2905以上代码中让每个进程分别沉睡不同的时间，子进程在它之前创建的子进程执行之后执行，父进程等待所有子进程执行结束后执行。但这种方法只是权宜之计，因为内存中进程的实际运行状况是不确定的，实际情况中我们无法具预测程序所需的执行时间，若都使用sleep()函数控制进程的执行顺序，将会浪费cpu，降低cpu的运行效率。
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