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. 你好,我跑了下第一个程序,输出是 –root@Debian:~$ —— 没问题。然后我在第12行加上一句sleep(1); 输出变成了 —-root@Debian:~$ —- 请问这是怎么回事,涉及到系统底层的时间片分配吗?

  2. Pingback: 不二
  3. 为什么把printf语句放到fork语句上面也还是输出8次呢,第一次fork出来的子进程没有继承父进程的缓冲区呢。

  4. @jessy
    还是会复制的。比如执行进程是A,A进程printf一次,再fork出B进程(由于缓存区会复制,现在有2个,A和B的缓冲区分别有1个)。接着A和B进程都执行i++和printf(现在有4个,A和B的缓冲区分别有2个)。再fork,A进程fork出C进程,由于A缓冲区有两个,所以C的缓冲区也有两个。同理,B进程fork出D进程,D缓冲区也有两个(现在合起来有8个)。fork结束后,四个进程都执行i++,由于i=2,所以都退出for。

  5. @cbsheng
    fork的COW是当需要修改内容的时候,子进程才能拷贝父进程的内容,同样的道理,当子进程需要printf时,需要修改缓存区,所以从父进程那拷贝过去的。

  6. 比较疑惑,因为代码是先fork再printf
    那么第一次fork的时候,printf应该还没有将”-“放到缓存区,fork出来的第一个子进程的缓存区应该是空的
    父进程第二次for循环时,fork出来第二个子进程,这个时候第二个子进程的缓冲区具有第一个for循环中printf出的的”-”
    所以应该输出7个’-‘才对啊?

  7. 这个题还有个变种也挺有意思的, 即使是用printf(“-\n”), 但是std output redirect到一个file,那么file里会有多少个‘-’

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