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本文将为大家讲解几种在 C++ 中使用 fork() 系统调用创建进程的方法。

使用 fork() 在 C++ 程序中创建两个进程

fork 函数是大多数基于 Unix 的操作系统中可用的 POSIX 兼容系统调用。该函数创建了一个新的进程，它是原始调用程序的副本。后一个进程称为 parent，新创建的进程-child。这两个进程可以看作是在不同内存空间执行的两个线程。需要注意的是，目前 Linux 的实现内部没有线程的概念，所以线程除了共享内存区域外，其他结构与进程类似。fork 函数可以实现同一程序内的并发执行，也可以从文件系统中运行一个新的可执行文件（在后面的例子中演示）。

在下面的例子中，我们利用 fork 来演示一个程序内的多进程。fork 不接受参数，并在两个进程中返回。返回值是父进程中子进程的 PID，子进程中返回 0。如果调用失败，在父进程中返回 -1。因此，我们可以根据返回值的评估来构造 if 语句，每个 if 块都会被相应的进程执行，从而实现并发执行。

#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

int main() {
  pid_t c_pid = fork();

  if (c_pid == -1) {
    perror("fork");
    exit(EXIT_FAILURE);
  } else if (c_pid > 0) {
    cout << "printed from parent process " << getpid() << endl;
    wait(nullptr);
  } else {
    cout << "printed from child process " << getpid() << endl;
    exit(EXIT_SUCCESS);
  }

  return EXIT_SUCCESS;
}

输出：

printed from parent process 27295
printed from child process 27297

使用 fork() 和 execve 在 C++ 中创建多个进程

fork 函数调用更实际的用途是创建多个进程，并在这些进程中执行不同的程序。需要注意的是，在这个例子中，我们需要两个源代码文件：一个是父进程，另一个是子进程。子进程代码是简单的无限循环，加到单整数，可以通过发送 SIGTERM 信号来停止。

父程序声明一个需要被分叉的子进程执行的文件名，然后调用 spawnChild 函数 6 次。spawnChild 函数封装了 fork/execve 的调用，并返回新创建的进程 ID。注意，execve 需要一个程序名和参数列表作为参数，才能在子进程中启动新的程序代码。一旦 6 个子进程创建完毕，父进程继续在 while 循环中调用 wait 函数。wait 停止父进程并等待任何一个子进程终止。

注意，需要终止每个子进程，父进程才能正常退出。如果中断父进程，子进程将继续运行，其父进程成为一个系统进程。

#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

#include <atomic>
#include <filesystem>
#include <iostream>
#include <vector>

using std::cout;
using std::endl;
using std::string;
using std::vector;
using std::filesystem::exists;

constexpr int FORK_NUM = 6;

pid_t spawnChild(const char* program, char** arg_list) {
  pid_t ch_pid = fork();
  if (ch_pid == -1) {
    perror("fork");
    exit(EXIT_FAILURE);
  } else if (ch_pid > 0) {
    cout << "spawn child with pid - " << ch_pid << endl;
    return ch_pid;
  } else {
    execve(program, arg_list, nullptr);
    perror("execve");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
}

int main() {
  string program_name("child");
  char* arg_list[] = {program_name.data(), nullptr};
  vector<int> children;
  children.reserve(FORK_NUM);

  if (!exists(program_name)) {
    cout << "Program file 'child' does not exist in current directory!\n";
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  for (int i = 0; i < FORK_NUM; ++i)
    children[i] = spawnChild(program_name.c_str(), arg_list);
  cout << endl;

  pid_t child_pid;
  while ((child_pid = wait(nullptr)) > 0)
    cout << "child " << child_pid << " terminated" << endl;

  return EXIT_SUCCESS;
}

子进程的源代码（不同的文件）：

#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

#include <iostream>

volatile sig_atomic_t shutdown_flag = 1;

void GracefulExit(int signal_number) { shutdown_flag = 0; }

int main() {
  // Register SIGTERM handler
  signal(SIGTERM, GracefulExit);

  unsigned int tmp = 0;
  while (shutdown_flag) {
    tmp += 1;
    usleep(100);
  }

  exit(EXIT_SUCCESS);
}

使用 fork() 和 execve 在 C++ 中创建多个进程的自动子进程清理功能

如果父进程在所有子进程退出之前就被终止，那么前面的示例代码就会出现笨拙的行为。在这种情况下，我们在父进程中添加信号处理函数，一旦收到 SIGQUIT 信号，就会自动终止所有子进程。使用 kill -SIGQUIT pid_num_of_parent 命令发送信号。

注意，信号处理程序中需要访问的一些全局变量被声明为 std::atomic 类型，这是对程序正确性的严格要求。

#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

#include <atomic>
#include <filesystem>
#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;
using std::string;
using std::filesystem::exists;

constexpr std::atomic<int> FORK_NUM = 6;
constexpr std::atomic<int> handler_exit_code = 103;

std::atomic<int> child_pid;
std::atomic<int> *children;

void sigquitHandler(int signal_number) {
  for (int i = 0; i < FORK_NUM; ++i) {
    kill(children[i], SIGTERM);
  }
  while ((child_pid = wait(nullptr)) > 0)
    ;
  _exit(handler_exit_code);
}

pid_t spawnChild(const char *program, char **arg_list) {
  pid_t ch_pid = fork();
  if (ch_pid == -1) {
    perror("fork");
    exit(EXIT_FAILURE);
  } else if (ch_pid > 0) {
    cout << "spawn child with pid - " << ch_pid << endl;
    return ch_pid;
  } else {
    execve(program, arg_list, nullptr);
    perror("execve");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
}

int main() {
  string program_name("child");
  char *arg_list[] = {program_name.data(), nullptr};

  if (!exists(program_name)) {
    cout << "Program file 'child' does not exist in current directory!\n";
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  children = reinterpret_cast<std::atomic<int> *>(new int[FORK_NUM]);
  signal(SIGQUIT, sigquitHandler);

  for (int i = 0; i < FORK_NUM; ++i) {
    children[i] = spawnChild(program_name.c_str(), arg_list);
  }
  cout << endl;

  while ((child_pid = wait(nullptr)) > 0)
    cout << "child " << child_pid << " terminated" << endl;

  return EXIT_SUCCESS;
}