写在前面
看似功能很简单的fork()函数，乱七八糟的东西实则有一大堆。这几天为了真正搞懂它的原理真的是让人几乎崩溃…￣□￣｜｜ 所以在这里做以总结。
1.fork()功能
举个例子：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main ()
{
pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值
int count=0;
fpid=fork();
if (fpid < 0)
printf("error in fork!");
else if (fpid == 0) {
printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());
printf("子进程/n");
count++;
}
else {
printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());
printf("父进程/n");
count++;
}
printf("统计结果是: %d/n",count);
return 0;
}
fork函数将运行着的程序分成2个几乎完全一样的进程，每个进程都启动一个从代码的同一位置开始执行的线程。这两个进程中的线程继续执行，就像是两个用户同时启动了该应用程序的两个副本。子进程会共享父进程的所有资源，变量。但是子进程从父进程拷贝下的所有资源会放到一个新的地址中,拥有自己独立的逻辑地址空间。子进程修改一个从父进程中拷贝下来的变量，父进程中的这个变量不会改变。
2.fork到底复制了父进程的哪些资源？
子进程从父进程拷贝的内容主要有以下：
用户号UIDS和用户组号GIDS
环境Environment
堆栈
共享内存
打开文件的描述符
执行时关闭（Close-on-exec）标志
信号（Signal）控制设定
进程组号
当前工作目录
根目录
文件方式创建屏蔽字
资源限制
控制终端
子进程独有：
进程号PID
不同的父进程号
自己的文件描述符和目录流的拷贝
子进程不继承父进程的进程正文（text），数据和其他锁定内存（memory locks）
不继承异步输入和输出
父进程和子进程拥有独立的地址空间和PID参数。
子进程从父进程继承了用户号和用户组号，用户信息，目录信息，环境（表），打开的文件描述符，堆栈，（共享）内存等。
经过fork()以后，父进程和子进程拥有相同内容的代码段、数据段和用户堆栈，就像父进程把自己克隆了一遍。事实上，父进程只复制了自己的PCB块。而代码段，数据段和用户堆栈内存空间并没有复制一份，而是与子进程共享。只有当子进程在运行中出现写操作时，才会产生中断，并为子进程分配内存空间。父子进程间的复制就是–-写时拷贝。
3. 父子进程之间的写时拷贝
举个例子：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t pid;
int num = 5;
int status;
pid = fork();
switch(pid)
{
case -1:
perror("create porcess is failed");
exit(-1);
case 0:
printf("child process num is:%d\n", num);
exit(0);
default:
wait(&status);
printf("parent process num is: %d\n", num);
break;
}
return 0;
}
执行结果：
我们发现这个时候两者的num值是相同的，那我们想想如果在子进程中改变一下num这个值，父进程中的num值会被改变吗？
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
pid_t pid;
int num = 5;
int status;
pid = fork();
switch(pid)
{
case -1:
perror("create porcess is failed");
exit(-1);
case 0:
num = 10;
printf("child process num is:%d\n", num);
exit(0);
default:
wait(&status);
printf("parent process num is: %d\n", num);
break;
}
return 0;
}
执行结果：
这时我们发现子进程中的num值改变了而父进程中的值没有改变，这是为什么呢？
这个时候要牵扯到两个概念，一个是逻辑地址(虚拟地址)，一个是物理地址。
逻辑地址： cpu所生成的地址。cpu产生的逻辑地址分为:p（页号）它包含在每个页在物理内存中的基址，用来做页表的索引；d（页偏移），同基址相结合，用来确定送入内存设备的物理内存地址。
物理地址：内存单元所看到的地址。
用户程序看不到物理地址。用户只生成逻辑地址。逻辑地址与物理地址呈现一一映射的关系。
fork()会产生一个和父进程完全相同的子进程，一般情况下，子进程会调用exec函数族去执行新的程序，这个时候子进程就会有新的栈，堆，数据段，和代码段。linux系统经过不断发展，从效率的角度出发，创造了一个写时复制技术。linux中引入了“写时复制“技术，也就是只有进程空间的各段的内容要发生变化时，才会将父进程的内容复制一份给子进程。
在fork之后exec之前两个进程用的是相同的物理空间（内存区），子进程的代码段、数据段、堆栈都是指向父进程的物理空间，也就是说，两者的虚拟空间不同，但其对应的物理空间是同一个。当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段分配物理空间，如果不是因为exec，内核会给子进程的数据段、堆栈段分配相应的物理空间（至此两者有各自的进程空间，互不影响），而代码段继续共享父进程的物理空间（两者的代码完全相同）。而如果是因为exec，由于两者执行的代码不同，子进程的代码段也会分配单独的物理空间。
就以上面两个例子分析一下： 第一个例子，子进程访问了num的值而却没有改变num的值，只是相当于读取了一下，这个时候内核不会给子进程分配新的资源，而是接着共享父进程的资源，这个时候num的值还是5，这样就节省了系统调用时候的资源。
第二个例子，子进程在执行过程中改变了num的值，这个时候系统发现了这个操作，就会给子进程分配新（新指物理地址上的新）的栈，堆和数据段，并且将父进程中fork之前的变量拷贝一份（拷贝的值和父进程中的值就没有任何关系了），然后子进程再对这些值进行操作，所以二者虽然用的是相同的变量名，但是在物理地址上已经完全不相同了。
4.父子进程关于文件描述符
这种共享的方式使父、子进程对同一个文件使用了同一个文件偏移量。如果父、子进程写到同一个文件描述符，但有没有任何形式的同步，那么它们的输出就会相互混合。在fork之后处理文件描述符有两种常见的情况：
（1）父进程等待子进程完成。在这种情况下，父进程无须对其描述符做任何处理。当子进程终止之后，它曾进行过读、写的人一个共享描述符的文件偏移量已经执行了相应的更新。
（2）父、子进程各自执行不同的程序段。这种情况下，在fork之后，父、子进程各自关闭它们不需使用的文件描述符，这样就不会干扰对方使用的文件描述符。这种方式是网络服务进程中常用的方式。
总结：父子进程共享“文件表项”（file对象），同dup一样，这会增加“文件达开计数”（file对象的引用计数），只不过fork增加的引用计数来自不同进程（父进程和子进程）中的描述符，dup增加的引用来自同一文件描述符。但父子进程独立运行后再打开的文件就不在共享file对象，这个两个独立进程打开文件情况一样。父子进程传递文件描述符和两独立进程传递描述符性质一样。
注意点：
1、父进程和子进程可以共享打开的文件描述符。
2、父子进程共享文件描述符的条件：在fork之前打开文件。
3、对于两个完全不相关的进程，文件描述符不能共享。
4、父子进程文件描述符是共享的，但是关闭的时候可以分别关闭，也可以同时在公有代码中关闭。
5.文件表项只有在所有引用它的fd（即文件描述符）全部关闭的情况下才会真正关闭。所以如上述情况，如果子进程关闭父、子进程共享的文件描述符后父进程仍可以使用对应的文件表项。（参见写时拷贝）
ps：共享文件描述符的意思参考：https://blog.csdn.net/tonglin12138/article/details/86490901