存在或不存在等待时 fork 系统调用的控制流程答案

【问题标题】：Control flow of fork system call when wait is present or not present存在或不存在等待时 fork 系统调用的控制流程
【发布时间】：2021-11-07 16:47:58
【问题描述】：

在这段代码中（在linux上运行）：

void child_process()
{
    int count=0;

    for(;count<1000;count++)
    {
        printf("Child Process: %04d\n",count);
    }
    printf("Child's process id: %d\n",getpid());
}

void parent_process()
{
    int count=0;

    for(;count<1000;count++)
    {
        printf("Parent Process: %04d\n",count);
    }
}


int main()
{
    pid_t pid;
    int   status;        

    if((pid = fork()) < 0)
    {
        printf("unable to create child process\n");
        exit(1);
    }
    
    if(pid == 0)
        child_process();
    

    if(pid > 0)
    {
        printf("Return value of wait: %d\n",wait();
        parent_process();
    }

    return 0;
}

如果代码中不存在wait()，则其中一个进程（子进程或父进程）将完成它的执行，然后将控制权交给 linux 终端，最后剩下的进程（子进程或父进程）将跑步。这种情况的输出是：

Parent Process: 0998
Parent Process: 0999
guest@debian:~/c$ Child Process: 0645   //Control given to terminal & then child process is again picked for processing
Child Process: 0646
Child Process: 0647

如果代码中出现wait()，执行流程应该是什么？

当调用fork() 时，必须创建一个包含父进程和子进程的进程树。上述代码在子进程处理结束时，通过wait()系统调用通知父子僵尸进程死亡，但是父子进程是两个独立的进程，控制权是否必须通过子进程结束后直接到父进程？（根本没有控制权给其他进程，如终端） - 如果是，那么就像子进程是父进程的一部分（就像从另一个函数调用的函数） .

【问题讨论】：

捕获并打印来自系统调用的返回值（通过在代码中包含getpid()的返回值来识别正在打印的进程。
@JonathanLeffler 谢谢，子进程的 PID 的返回值和wait() 的返回值是一样的，但是不清楚控制权是否直接从子进程转移到父进程，中间没有其他进程（如未使用 wait() 时的终端。
我相信没有 wait() 流程会跟随。 - 终端产生父进程，父进程产生子进程。子进程没有控制，它只能访问相同的标准输入和标准输出。一旦父进程完成，它就会退出，并将控制权返回给终端，而子进程在后台运行。使用wait：父进程产生子进程，然后执行wait，等待子进程完成。然后它执行剩下的代码结束退出。
没有这样的保证；其他进程可以随时运行。但在正常用例中，不会有任何其他进程甚至试图从该终端读取或写入。唯一可能的候选者是 shell，它本身就是 wait()ing 让父级终止，而不是执行终端 I/O。
fork() 和wait() 的主要应用是让孩子调用exec* 函数之一，以运行另一个程序。您不能在子例程中执行此操作，因为 exec* 不会返回。这就是system() 的工作方式，这也是 shell 首先运行程序的方式。

标签： c operating-system fork wait

【解决方案1】：

此评论至少具有误导性：

   //Control given to terminal & then child process is again picked for processing

“终端”过程并没有真正进入等式。假设您使用终端仿真器与您的程序进行交互，它始终在运行。（如果您使用的是控制台，则没有终端进程。但现在不太可能。）

控制用户界面的过程是您使用的任何外壳。你输入一些命令行，比如

$ ./a.out

shell 会安排你的程序运行。（顺便说一下，shell 是一个普通的用户程序，没有特殊权限。你可以自己写。）

具体来说，外壳：

使用fork 创建子进程。
使用waitpid 等待子进程完成。

子进程设置任何必要的重定向，然后使用一些exec 系统调用，通常是execve，将自己替换为./a.out 程序，传递execve（或其他）您指定的命令行参数.

就是这样。

您的程序在./a.out 中使用fork 创建一个孩子，然后可能等待孩子完成后再终止。一旦你的父进程终止，shell 的waitpid() 就可以返回，一旦它返回，shell 就会打印一个新的命令提示符。

所以至少有三个相关的进程：shell、你的父进程和你的子进程。在没有像waitpid() 这样的同步功能的情况下，无法保证排序。因此，当您的父进程调用fork() 时，创建的子进程可以立即开始执行。或不。如果它确实立即开始执行，它不一定会抢占您的父进程，假设您的计算机相当现代并且具有多个核心。它们可以同时执行。但这不会持续很长时间，因为您的父进程要么立即调用exit，要么立即调用wait。

当一个进程调用wait（或waitpid）时，它会被挂起并在它等待的进程终止时再次变为可运行状态。但同样没有保证。进程可运行这一事实并不意味着它将立即开始运行。但一般来说，在没有高负载的情况下，操作系统很快就会开始运行它。同样，它可能与另一个进程同时运行，例如您的子进程（如果您的父进程没有等待它完成）。

简而言之，如果您进行了一百万次实验，而您的父母等待您的孩子，那么您将看到相同的结果一百万次；孩子必须在父母解除暂停之前完成，而您的父母必须在外壳解除暂停之前完成。（如果您的父进程在等待之前打印了一些内容，您会看到不同的结果；父进程和子进程的输出可以是任意顺序，甚至可以重叠。）

另一方面，如果您的父母不等孩子，那么您可能会看到许多结果中的任何一个，并且在一百万次重复中您可能会看到多个结果（但不是相同的概率）。由于父子之间没有同步，因此输出可以按任意顺序出现（或交错）。由于子进程与 shell 不同步，它的输出可能出现在 shell 提示符之前或之后，或者与 shell 提示符交错出现。没有保证，除了在你的父母完成之前，shell 不会恢复。

请注意，终端仿真器是一个完全独立的进程，始终可以运行。它拥有一个模拟终端的伪终端（“pty”）。伪终端是一种管道；在管道的一端是认为它正在与控制台通信的进程，而在另一端是终端仿真器，它解释写入 pty 的任何内容以便在 GUI 中呈现它，并发送任何击键它接收，适当地修改为通过管道返回的字符流。由于终端模拟器永远不会挂起，因此它的执行与您计算机上任何其他处于活动状态的进程交错，它会（或多或少）立即向您显示由您的 shell 发送的任何输出或它启动的进程。（再次假设机器没有过载。）

【讨论】：