Linux进程管理：fork与vfork深度解析
在 Linux 系统编程中，进程的创建是并发和多任务处理的基础。fork() 和 vfork() 是两个用于创建新进程的核心系统调用。
目录
一、fork() 系统调用
1. 功能概述
2. 基本原型
3. 示例代码：演示 fork()
4. 编译运行
二、vfork() 系统调用
1. 功能概述
2. 基本原型
3. 示例代码：演示 vfork()
4. 编译运行
三、fork() vs vfork()
四、写时复制（Copy-on-Write）
工作原理：
五、僵尸进程与孤儿进程
1. 僵尸进程（Zombie Process）
示例：产生僵尸进程
解决方法：
2. 孤儿进程（Orphan Process）
示例：产生孤儿进程
六、总结知识点图解（知识树状图）
七、课后练习建议
一、fork() 系统调用
1. 功能概述
fork() 是最常用的创建子进程的方式。它会复制当前进程（父进程）的地址空间、堆栈、寄存器状态等，生成一个几乎完全相同的子进程。
- 返回值不同 是区分父子进程的关键：
- 在父进程中返回 子进程的 PID
- 在子进程中返回 0
- 若出错返回 -1
2. 基本原型
#include
pid_t fork(void); 3. 示例代码：演示 fork()
#include
#include
#include
int main() {
pid_t pid;
printf("Before fork: Parent process (PID = %d)\n", getpid());
pid = fork(); // 创建子进程
if (pid < 0) {
perror("Fork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
// 子进程执行
printf("Child process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());
} else {
// 父进程执行
printf("Parent process: PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);
}
return 0;
} 4. 编译运行
gcc fork_example.c -o fork_example
./fork_example输出示例（顺序可能不同）：
Before fork: Parent process (PID = 12345)
Parent process: PID = 12345, Child PID = 12346
Child process: PID = 12346, PPID = 1注意：由于父进程与子进程是并发执行的，所以输出顺序可能不确定。
二、vfork() 系统调用
1. 功能概述
vfork() 是 fork() 的一个变种，用于更高效的子进程创建，尤其适用于立即调用 exec() 执行新程序的情况。
它的关键特性是：
- 不复制父进程的地址空间
- 共享父进程的内存空间
- 子进程先运行，直到调用 _exit() 或 exec() 后，父进程才继续执行
2. 基本原型
#include
pid_t vfork(void); 3. 示例代码：演示 vfork()
#include
#include
#include
#include
int main() {
pid_t pid;
printf("Before vfork: Parent process (PID = %d)\n", getpid());
pid = vfork(); // 创建子进程
if (pid < 0) {
perror("vfork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
// 子进程执行
printf("Child process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());
_exit(0); // 必须使用 _exit()，不能使用 exit()
} else {
// 父进程等待子进程结束后继续
printf("Parent process: PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);
}
return 0;
} 4. 编译运行
gcc vfork_example.c -o vfork_example
./vfork_example输出示例：
Before vfork: Parent process (PID = 12345)
Child process: PID = 12346, PPID = 1
Parent process: PID = 12345, Child PID = 12346三、fork() vs vfork()
| 特性/对比项 | fork() |
vfork() |
|---|---|---|
| 地址空间复制 | 完全复制父进程地址空间 | 不复制，共享父进程内存 |
| 性能开销 | 较大（复制页表等） | 极小（仅创建轻量进程） |
| 是否并发执行 | 是 | 否，子进程先执行 |
| 使用场景 | 需要独立地址空间时（如长期运行） | 立即调用 exec() 执行新程序 |
| 返回后是否继续执行 | 是 | 子进程必须调用 _exit() 或 exec() |
| 可否修改数据 | 安全（写时复制机制） | 危险，会影响父进程数据 |
四、写时复制（Copy-on-Write）
现代 Linux 内核在实现 fork() 时采用了 写时复制（Copy-on-Write, COW） 技术，使得 fork() 的性能大大提升。
工作原理：
- 父子进程初始共享物理内存页。
- 当任一进程尝试修改内存时，内核才会为该页创建副本。
这使得 fork() 在大多数情况下性能接近于 vfork()。
五、僵尸进程与孤儿进程
1. 僵尸进程（Zombie Process）
当子进程结束但父进程尚未调用 wait() 或 waitpid() 获取其退出状态时，该子进程就进入僵尸状态。
示例：产生僵尸进程
#include
#include
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 子进程执行完毕
return 0;
}
sleep(60); // 父进程休眠，不回收子进程
return 0;
} 运行期间查看僵尸进程：
ps aux | grep defunct解决方法：
父进程应始终调用 wait() 或 waitpid() 来回收子进程资源。
2. 孤儿进程（Orphan Process）
如果父进程在子进程之前结束，则子进程成为孤儿进程，由 init 进程（PID=1）接管。
示例：产生孤儿进程
#include
#include
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
sleep(10); // 等待父进程结束
printf("Child process: My parent is now %d\n", getppid());
}
return 0; // 父进程先退出
} 输出示例：
Child process: My parent is now 1六、总结知识点图解（知识树状图）
进程创建（fork、vfork）
│
├── fork()
│ ├── 创建子进程，复制父进程地址空间
│ ├── 返回值：0（子）、PID（父）、-1（失败）
│ └── Copy-on-Write 提升性能
│
├── vfork()
│ ├── 不复制地址空间，共享内存
│ ├── 子进程必须调用 _exit() 或 exec()
│ └── 子进程先运行，父进程暂停
│
├── fork() vs vfork()
│ ├── 复制方式
│ ├── 并发执行
│ └── 应用场景
│
├── 僵尸进程
│ ├── 子进程结束，未被回收
│ └── 使用 wait() / waitpid() 回收
│
└── 孤儿进程
├── 父进程提前终止
└── 被 init 进程接管七、课后练习建议
- 编写一个程序，使用
fork()创建多个子进程，并让它们打印各自的 PID。 - 修改上面的程序，确保父进程使用
wait()正确回收所有子进程。 - 尝试使用
vfork()替换fork()，观察行为差异。 - 编写一个程序故意制造僵尸进程，然后使用
ps查看并分析如何避免。 - 使用
strace跟踪fork()和vfork()的系统调用行为。
strace -f ./your_program