一个fork的面试题

一个fork的面试题

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十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:

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(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)

现在你明白了吧。(另,对于图中的我本人拙劣的配色,请见谅!)

(全文完)


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一个fork的面试题》的相关评论

  1. pein :
    按理说linux也是类UNIX操作系统,linux的fork应该是继承自UNIX,如果改成

    #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;
    }

    再按照您说的就没有问题了,我觉得原来的题目可能没有考虑到进程的退出,如果面试题目按照原题的话,打出来应该是4个,不是6个,也不是8个

    @pein

    确实是这样,不加最后两个wait(NULL),父进程过早退出,创建出的子进程也就很随机了。

  2. 我记得“一次调用,两次返回”的说法并不准确,fork只能返回一次,也就是父进程的返回。至于 子进程,其实是在创建进程完毕后,将EAX寄存器设置成了0,看上去好像是“返回”了0,但是这不是return的操作。

  3. 求教。我有一段代码关于vfork的来自于aupe,但是在我的ubuntu下执行结果很奇怪。理论var值会打印89,但是gcc 4.8.1在开了O2优化后打印出88(不开优化能得到正确结果),glob变量一切正常,都是输出7,符合预期。

    #include "apue.h"
    
    int glob = 6;
    
    int
    main(void)
    {
      int var;
      pid_t pid;
      var = 88;
      printf("before vfork\n");
      if ((pid = vfork()) < 0) {
        err_sys("vfork error&");
      } else if ( pid ==0) {
        glob++;
        var++;
        _exit(0);
      }
    
      printf("pid = %d, glob = %d, var = %d\n", getpid(), glob, var);
      exit(0);
    }
  4. Pingback: 面试题 | 博文
  5. 楼主解释的不对吧,尤其是最后一幅图画得不对。最后一共4个进程,每个进程结束时输出两个 – ,什么叫“导致多次输出“呢?

  6. #include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #define SIZE 5
    int nums[SIZE] = {0, 1, 2, 3, 4};
    int main()
    {
        pid_t pid;
        int foo1 = 1, foo2 = 2;
        printf("before fork()\n");
    
        if ((pid = vfork())  0){
                printf("parent process: pid is %d\n", getpid());
        }
    
        printf("%s: foo1 is %d, foo2 is %d\n",pid == 0 ? "child process" : "parent process", foo1, foo2);
        return 0;
    }

    为什么执行结果是:
    before fork()
    child process: pid is 17244, my parent pid is 15839
    child process: foo1 is 2, foo2 is 3
    parent process: pid is 15839
    parent process: foo1 is -1079005816, foo2 is -1218256081
    before fork()
    child process: pid is 17245, my parent pid is 15839
    child process: foo1 is 2, foo2 is 3
    parent process: pid is 15839
    parent process: foo1 is -1079005816, foo2 is -1218256081
    before fork()
    …..
    …..

    子进程虽然不显示调用exit,但是它会退出的(我理解相当于exit),这里有什么区别么?
    好像父进程又从一开始重复执行,这是为什么?
    谁能解释下,程序如何执行的?

    谢谢!

  7. 我尝试输出每一个进程的pid,发现结果:4220A 4220A 4220A 4222A 4221A 4221A 4221A 4223A
    按照理论分析应该是每个进程有两次输出
    所以很是疑惑,求助

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