关于fork 的一个小问题

首先看一个程序：

题目：请问下面的程序一共输出多少个“-”？

#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;
}

如果你对fork()的机制比较熟悉的话，这个题并不难，输出应该是6个“-”，但是，实际上这个程序会很tricky地输出8个“-”。

要讲清这个题，我们首先需要知道fork()系统调用的特性，

fork()系统调用是Unix下以自身进程创建子进程的系统调用，一次调用，两次返回，如果返回是0，则是子进程，如果返回值>0，则是父进程（返回值是子进程的pid），这是众为周知的。

还有一个很重要的东西是，在fork()的调用处，整个父进程空间会原模原样地复制到子进程中，包括指令，变量值，程序调用栈，环境变量，缓冲区，等等。

所以，上面的那个程序为什么会输入8个“-”，这是因为printf(“-“);语句有buffer，所以，对于上述程序，printf(“-“);把“-”放到了缓存中，并没有真正的输出，在fork的时候，缓存被复制到了子进程空间，所以，就多了两个，就成了8个，而不是6个。

另外，多说一下，我们知道，Unix下的设备有“块设备”和“字符设备”的概念，所谓块设备，就是以一块一块的数据存取的设备，字符设备是一次存取一个字符的设备。磁盘、内存都是块设备，字符设备如键盘和串口。块设备一般都有缓存，而字符设备一般都没有缓存。

对于上面的问题，我们如果修改一下上面的printf的那条语句为：

printf("-\n");

或是

printf("-");
fflush(stdout);

就没有问题了（就是6个“-”了），因为程序遇到“\n”，或是EOF，或是缓中区满，或是文件描述符关闭，或是主动flush，或是程序退出，就会把数据刷出缓冲区。需要注意的是，标准输出是行缓冲，所以遇到“\n”的时候会刷出缓冲区，但对于磁盘这个块设备来说，“\n”并不会引起缓冲区刷出的动作，那是全缓冲，你可以使用setvbuf来设置缓冲区大小，或是用fflush刷缓存。

我估计有些朋友可能对于fork()还不是很了解，那么我们把上面的程序改成下面这样：

#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); //让进程停留十秒，这样我们可以用pstree查看一下进程树
return 0;
}

于是，上面这段程序会输出下面的结果，（注：编译出的可执行的程序名为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)

面对这样的图你可能还是看不懂，没事，我好事做到底，画个图给你看看：



注意：上图中的我用了几个色彩，相同颜色的是同一个进程。于是，我们的pstree的图示就可以成为下面这个样子：（下图中的颜色与上图对应）



这样，对于printf(“-“);这个语句，我们就可以很清楚的知道，哪个子进程复制了父进程标准输出缓中区里的的内容，而导致了多次输出了。（如下图所示，就是我阴影并双边框了那两个子进程）



转自：http://coolshell.cn/articles/7965.html 。

后记：上文没有说明缓冲区的类型。下面说一下缓冲类型。

标准IO缓冲详解全缓冲 行缓冲 不缓冲

标准I/O库提供缓冲的目的是尽可能地减少使用read和write调用的次数。他也对每个I/O流自动地进行缓冲管理，从而避免了应用程序需要考虑这一点所带来的麻烦。不幸的是，标准I/O库最令人迷惑的也是他的缓冲。

标准I/O提供了三种类型的缓冲：
1、全缓冲。

这种情况下，在填满标准I/O缓冲区后才进行实际I/O操作。对于驻留在磁盘上的文件通常是由标准I/O库实施全缓冲。一个流上执行第一次I/O操作时，相关标准I/O函数通常调用malloc获得需使用的缓冲区。

术语冲洗说明I/O缓冲区的写操作。缓冲区可由标准I/O例程自动冲洗，或者可以调用函数fflush冲洗一个流。值得引起注意的是在UNIX环境中，flush有两种意思。在标准I/O库方面，flush以为这将缓冲区中的内容写到磁盘上。在终端驱动程序方面flush表示丢弃已存储在缓冲区中的数据。
2、行缓冲。

在这种情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库执行I/O操作。这允许我们一次输出一个字符，但只有在写了一行之后才进行实际I/O操作。当流涉及一个终端时，通常使用行缓冲。

对于行缓冲有两个限制。

1.        因为标准I/O库用来收集每一行的缓冲区的长度是固定的，所以只要填满了缓冲区，那么即使没有写一个换行符，也进行I/O操作。

2.        任何时候只要通过标准I/O库要求从a一个不带缓冲的流，或者b一个行缓冲的流得到输入数据，那么就会造成冲洗所有行缓冲输出流。

3、不带缓冲。

标准I/O库不对字符进行缓冲存储。例如，如果用标准 I/O函数fputs写15个字符到不带缓冲的流中，则该函数很可能用write系统调用函数将这些字符立即写至相关联的打开文件中。
标准出错stderr通常是不带缓冲的，这就使得出错信息可以尽快显示出来，而不管它们是否含有一个换行符。

ISO C要求下列缓冲特征：

1.        当且仅当标准输入和标准输出并不涉及交互式设备使，他们才是全缓冲的。

2.        标准出错不会使用全缓冲的。

但是，这并没有告诉我们如果标准输入和标准输出涉及交互式设备时，他们是不带缓冲的还是行缓冲的；以及标准出错时不带缓冲的还是行缓冲的。很多系统默认使用下列类型的缓冲：

1.        标准出错是不带缓缓冲的。

2.        如若是涉及终端设备的其他流，则他们是行缓冲的；否则是全缓冲的。

对任何一个给定的流，如果我们并不喜欢这些系统默认的情况，则可调用下列函数中的更改缓冲类型：

void setbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf) //打开或关闭缓冲机制
int setvbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf,int mode,size_t size) //设置缓冲类型

看下面的程序：#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;

int main()
{
char buf[1024];
setvbuf(stdout , buf , _IOFBF , 1024);//quan huan chong
// setvbuf(stdout , buf , _IOLBF , 1);//hang huan chong
// setvbuf(stdout , NULL , _IONBF , 0);//wu huan chong
for(int i = 0 ; i < 2 ; i++)
{
cout<<"-\n";
fork();
cout<<"-\n";
}
cout<<endl;
}

上面使用全缓冲，输出结果如下：

[root@chenchen 15]# ./a.out
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[root@chenchen 15]#

输出了16个-

如果使用行缓冲或者无缓冲，输出结果如下：

[root@chenchen 15]# ./a.out
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[root@chenchen 15]#
如果不设置缓冲，CentOS系统，gcc编译器下默认缓冲方式是行缓冲（VS编译器下默认好像是无缓冲），输出结果是第二种形式。

程序如下：

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;

int main()
{
char buf[1024];
//	setvbuf(stdout , buf , _IOFBF , 1024);//quan huan chong
//	setvbuf(stdout , buf , _IOLBF , 1);//hang huan chong
//	setvbuf(stdout , NULL , _IONBF , 0);//wu huan chong
for(int i = 0 ; i < 2 ; i++)
{
cout<<"-\n";
fork();
cout<<"-\n";
}
cout<<endl;
}

输出结果如下：

[root@chenchen 15]# ./a.out
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[root@chenchen 15]#