fork()、COW和vfork()的区别

一个进程可以通过调用fork()或者vfork()函数来创建一个新进程，调用进程被成为父进程，产生的新进程叫做子进程。而在调用（以fork()为例）fork()的时候，会产生两个返回值，一个是返回给父进程，另一个是返回给子进程。而用户可以通过返回值来判断哪个是父进程，哪个是子进程。在子进程中返回值为0，而在父进程中的返回值为子进程ID。这种安排是有理由的。一个进程可以有多个子进程，但是却只能有一个父进程，因此我们可以通过getppid()来获取父进程的ID，但是却没有函数用来获取子进程的ID，因此便将子进程的ID返回给父进程。下面的例子可以说明这一点：



运行结果如下：



那么，在一个进程创建子进程的时候会发生什么呢？

首先我们要了解，每个进程都有自己的虚拟地址空间，包括正文段、数据段、堆和栈四部分。而内核将会为这四个部分提供相应的物理内存，与进程的虚拟地址空间相映射。

fork()

p1调用fork()创建子进程p2时，p2拥有p1的副本，包括虚拟地址空间和相映射的物理内存，除了p1和p2共享正文代码段之外，其它的都是在物理级别上互相独立的。下面的例子显示出父、子进程拥有独立的数据段、共享正文代码段。



运行结果如下：



可以看出，两个进程的num值是独立的，但是代码段是共享的，都执行了if-else和printf语句。

COW（copy-on-write，写时复制）

一般地，创建子进程的目的并不是为了制造一个父进程的副本，它往往是用来exec一个新的程序，在启动新程序的时候，所有的数据代码都与父进程无关，因此都需要重新复制到新进程的地址空间中，这会大大浪费时间资源，因此，我们采用cow技术，暂时使子进程共用父进程的地址空间，并且将子进程的访问权限改为只读。如果当有进程（父进程或者子进程）试图修改其中的某个区域的话，则内核将为这个区域制作一个副本。简单来说，就是子进程拥有父进程虚拟地址空间的副本，并且暂时共享父进程的物理内存，对此内存只拥有只读权限，然后当有进程试图修改这些区域的时候，内核将为子进程制作一个该区域的副本。下面的程序可以解释：



上面代码中，父、子进程均未对num进行修改，运行结果如下：



从运行结果可以看出，在两个进程中，num的地址是一样的，即父、子进程共享同一段数据内存。再来，如果有进程对数据进行修改，如下代码：

vfork()

前面有提到，创建一个新进程的目的往往是用来exec一个新的程序，因此复制父进程的物理内存是完全没有必要的，于是就产生了cow技术。但是如果用户已经知道到了接下来新进程唯一要做的事情就是exec一个新程序，那么也没有必要实施cow技术了，毕竟cow技术需要复制父进程的虚拟地址空间，并且需要设置子进程的访问权限为只读，这写都是需要开销的。于是我们的vfork()更加绝对，它在调用exec之前（即独立更生之前），暂时和父进程公用一下虚拟地址空间，然后在exec一个新程序之后，在开辟它自己的空间。下面的程序说明父、子进程公用地址空间。



运行结果如下：



可以看出，父、子进程共享同一段区域，两者都进行了修改，修改操作并没有发生副本的生成，而是修改同一个内存区域。另外有一点，vfork总是保证让子进程先执行，在子进程调用exec或者exit之后父进程才能被调度执行。假设有一种情况是，子进程在调用上面两个函数之前依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁，因为父进程在等待子进程独立，而子进程独立需要父进程执行。