分類：程式設計

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。

fork 函數只有在 Linux 系統上可以使用，在一般的 Windows 開發環境中無法使用這種方式建立行程，若要在 Windows 中使用，請參考 Cygwin 等環境。

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;
}