一道FORK的面試
- 2019 年 10 月 7 日
- 筆記
作者：陳皓 出處：https://coolshell.cn/articles/7965.html
前兩天有人問了個關於Unix的fork()系統調用的面試題，這個題正好是我大約十年前找工作時某公司問我的一個題，我覺得比較有趣，寫篇文章與大家分享一下。這個題是這樣的：
題目：請問下面的程序一共輸出多少個「-」？
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(void) { int i; for(i=0; i<2; i++){ fork(); printf("-"); } wait(NULL); wait(NULL); return 0; }
如果你對fork()的機制比較熟悉的話，這個題並不難，輸出應該是6個「-」，但是，實際上這個程序會很tricky地輸出8個「-」。
要講清這個題，我們首先需要知道fork()系統調用的特性，
- fork()系統調用是Unix下以自身進程創建子進程的系統調用，一次調用，兩次返回，如果返回是0，則是子進程，如果返回值>0，則是父進程（返回值是子進程的pid），這是眾為周知的。
- 還有一個很重要的東西是，在fork()的調用處，整個父進程空間會原模原樣地複製到子進程中，包括指令，變量值，程序調用棧，環境變量，緩衝區，等等。
所以，上面的那個程序為什麼會輸入8個「-」，這是因為printf(「-「);語句有buffer，所以，對於上述程序，printf(「-「);把「-」放到了緩存中，並沒有真正的輸出（參看《C語言的迷題》中的第一題），在fork的時候，緩存被複制到了子進程空間，所以，就多了兩個，就成了8個，而不是6個。
另外，多說一下，我們知道，Unix下的設備有「塊設備」和「字符設備」的概念，所謂塊設備，就是以一塊一塊的數據存取的設備，字符設備是一次存取一個字符的設備。磁盤、內存都是塊設備，字符設備如鍵盤和串口。塊設備一般都有緩存，而字符設備一般都沒有緩存。
對於上面的問題，我們如果修改一下上面的printf的那條語句為：
printf("-n");
或是
printf("-"); fflush(stdout);
就沒有問題了（就是6個「-」了），因為程序遇到「n」，或是EOF，或是緩中區滿，或是文件描述符關閉，或是主動flush，或是程序退出，就會把數據刷出緩衝區。需要注意的是，標準輸出是行緩衝，所以遇到「n」的時候會刷出緩衝區，但對於磁盤這個塊設備來說，「n」並不會引起緩衝區刷出的動作，那是全緩衝，你可以使用setvbuf來設置緩衝區大小，或是用fflush刷緩存。
我估計有些朋友可能對於fork()還不是很了解，那麼我們把上面的程序改成下面這樣：
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(void) { int i; for(i=0; i<2; i++){ fork(); //注意：下面的printf有「n」 printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d n", getppid(), getpid(), i); } sleep(10); //讓進程停留十秒，這樣我們可以用pstree查看一下進程樹 return 0; }
於是，上面這段程序會輸出下面的結果，（註：編譯出的可執行的程序名為fork）
ppid=8858, pid=8518, i=0 ppid=8858, pid=8518, i=1 ppid=8518, pid=8519, i=0 ppid=8518, pid=8519, i=1 ppid=8518, pid=8520, i=1 ppid=8519, pid=8521, i=1 $ pstree -p | grep fork |-bash(8858)-+-fork(8518)-+-fork(8519)---fork(8521) | | `-fork(8520)
面對這樣的圖你可能還是看不懂，沒事，我好事做到底，畫個圖給你看看：
注意：上圖中的我用了幾個色彩，相同顏色的是同一個進程。於是，我們的pstree的圖示就可以成為下面這個樣子：（下圖中的顏色與上圖對應）
這樣，對於printf(「-「);這個語句，我們就可以很清楚的知道，哪個子進程複製了父進程標準輸出緩中區里的的內容，而導致了多次輸出了。（如下圖所示，就是我陰影並雙邊框了那兩個子進程）
現在你明白了吧。
