C 語言 fork 使用教學與範例，多行程 Multi-Process 平行化程式設計

這裡介紹如何使用 C 語言的 fork 函數建立子行程，設計多行程的平行化程式。

C 語言中的 fork 函數可以將目前的程式行程（process）複製一份，建立出新的子行程（child process），而原本的行程就稱為父行程（parent process）。

C 語言的 fork

fork 在執行之後，會傳回一個整數的傳回值，以下是各種數值所代表的意義：

• 負值（小於零）：建立子行程失敗。
• 零：代表這個程式處於新建立的子行程中。
• 正值（大於零）：代表這個程式處於原本的父行程中，這個整數值則是子行程的 ID。

在程式設計上我們可以靠著 fork 的傳回值來判別父行程與子行程，進而讓不同的行程處理不同的工作。新建立的子行程會有獨立的行程 ID（process ID），與父行程的行程 ID 不同。

Hello World

以下是最簡單的 hello world 範例程式碼，程式在呼叫 fork 建立新的行程之後，讓父行程與子行程兩個行程都輸出一樣的文字訊息。

// fork1.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
  // 建立子行程
  fork();

  // 從這裡開始變成兩個行程

  // 兩個行程執行同樣的程式
  printf("Hello world!n");

  return 0;
}

使用 gcc 編譯後，直接執行：

gcc -o fork1 fork1.c
./fork1

Hello world!
Hello world!

父行程與子行程都執行同一個 printf，各輸出一行文字訊息，所以結果就會是兩行一樣的文字訊息。

重複建立子行程

由於每次呼叫 fork 時，就會讓程式行程的數量變成原來的兩倍，所以如果重複呼叫 fork 的話，形成數量就會以指數的速度增長。

// fork2.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
  // 建立子行程
  fork();

  // 建立子行程的子行程
  fork();

  // 所有行程都輸出一樣的訊息
  printf("Hello world!n");

  return 0;
}

編譯與執行：

gcc -o fork2 fork2.c
./fork2

Hello world!
Hello world!
Hello world!
Hello world!

執行兩次 fork 之後，就會產生四個程式行程：

重複執行 fork

區分父行程與子行程

這個範例是示範使用 fork 的傳回值來判斷父行程與子行程，讓兩個行程分別執行不同的程式碼：

// fork3.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
  pid_t pid;

  // 建立子行程
  pid = fork();

  if (pid == 0) {
    // 子行程
    printf("Child process!n");
  } else if (pid > 0) {
    // 父行程
    printf("Parent process!n");
  } else {
    // 錯誤
    printf("Error!n");
  }

  return 0;
}

編譯與執行：

gcc -o fork3 fork3.c
./fork3

由於我們無法預測作業系統會先執行哪一個行程，所以這個程式的輸出有可能是

Parent process!
Child process!

或是

Child process!
Parent process!

多行程程式的變數與資料

不同行程之間的變數與資料都是互相獨立的，所以在其中一個行程中更改變數中的資料，並不會影響另外一個行程：

// fork4.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
  pid_t pid;

  // 建立一個變數
  int x = 1;

  pid = fork();

  if (pid == 0) {
    // 子行程的變數
    printf("Child has x = %dn", ++x);
  } else if (pid > 0) {
    // 父行程的變數
    printf("Parent has x = %dn", --x);
  } else {
    printf("Error!n");
  }

  return 0;
}

雖然這裡的 x 是一個全域變數（global variable），但是兩個行程互相獨立，所以不會互相影響。

編譯與執行：

gcc -o fork4 fork4.c
./fork4

Parent has x = 0
Child has x = 2

參考資料：GeeksforGeeks