Linux-fork-interview

前两天有人问了个关于 Unix 的 fork()系统调用的面试题，这个题正好是我大约几年前找工作时某公司问我的一个题，我觉得比较有趣，写篇文章与大家分享一下。这个题是这样的：每一轮 fork 操作产生的新进程数量是当前正在运行的进程数量。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()
{
        int i;
        for(i=0; i<2; i++){
                fork();
                printf("-");
        }
        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），这是众所周知的。
• 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（参看《C 语言的迷题》中的第一题），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，或是缓冲区满，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)