使用 `fork` 系统调用创建进程

1. `fork` 系统调用概述

fork 是一个系统调用，用于在 Unix-like 操作系统中创建一个新进程。它会复制当前进程（父进程），并返回两次：一次在父进程中，返回新创建子进程的进程ID；另一次在子进程中，返回0。父子进程在此后并行运行，互相独立。

1.1 `fork` 的基本原理

fork 系统调用会创建一个与父进程几乎完全相同的子进程。子进程拥有与父进程相同的代码、数据、堆栈和打开的文件描述符，但它们拥有独立的进程ID、内存空间和进程表项。

父进程：调用 fork 的进程，返回值为子进程的进程ID。
子进程：由 fork 创建的新进程，返回值为0。

2. `fork` 的行为

2.1 父进程与子进程的区分

当 fork 被调用时，操作系统会进行以下操作：

复制父进程的内存空间。
创建一个新的进程ID（PID）给子进程。
子进程继承父进程的所有资源，如打开的文件描述符、信号处理方式等。

2.2 返回值

在父进程中，fork 返回子进程的进程ID（大于0）。
在子进程中，fork 返回0。

2.3 父子进程的独立性

父子进程在执行过程中是独立的。它们可以并发执行，并且有各自独立的进程控制块（PCB）。修改子进程的数据不会影响父进程的数据，反之亦然。

3. 使用 `fork` 创建进程

3.1 基本语法

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();  // 创建子进程

    if (pid < 0) {
        // 错误处理：fork失败
        perror("Fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程的代码
        printf("This is the child process. PID: %d\n", getpid());
    } else {
        // 父进程的代码
        printf("This is the parent process. PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), pid);
    }

    return 0;
}

3.2 代码解析

fork()：创建一个新进程，并返回进程ID。父进程中返回子进程的ID，子进程中返回0。
getpid()：返回当前进程的进程ID。
pid_t pid：pid 是 fork 函数的返回值类型，表示进程ID。

3.3 输出示例

This is the parent process. PID: 1234, Child PID: 1235
This is the child process. PID: 1235

父进程和子进程的 PID 会不同。
输出的顺序可能不同，因为父子进程是并发执行的。

4. `fork` 的常见问题

4.1 子进程的资源继承

文件描述符：父进程打开的文件描述符会被子进程继承，但文件描述符指向的文件是父子进程共享的，文件的读写操作会影响父子进程。
环境变量：子进程会继承父进程的环境变量，但它可以修改自己的环境变量。
内存空间：父子进程有独立的地址空间，修改一个进程的内存不会影响另一个进程。

4.2 僵尸进程（Zombie Process）

当子进程执行完毕并退出时，它会将退出状态传给父进程。如果父进程未调用 wait 或 waitpid 函数来收集子进程的退出状态，子进程将会变为“僵尸进程”，直到父进程清理它为止。

4.3 孤儿进程（Orphan Process）

如果父进程在子进程执行之前退出，子进程会被 init 进程（进程ID为1）收养。孤儿进程的父进程是 init。

5. `fork` 的进阶用法：`exec` 系列函数

子进程创建后，通常会使用 exec 系列函数来加载新的程序，从而实现程序的替换。fork 和 exec 常常一起使用：

exec 系列函数：用来加载一个新的程序，替换当前进程的内存空间。
常见的 exec 函数：execl、execp、execv 等。

5.1 示例：使用 `fork` 和 `exec` 执行新的程序

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("Fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程执行新的程序
        execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
        // 如果 execlp 调用成功，这一行代码不会被执行
        perror("Exec failed");
    } else {
        // 父进程代码
        printf("This is the parent process. PID: %d\n", getpid());
    }

    return 0;
}