[Linux]fork与exec

写这篇文章的原因是看到了一段与 Linux 下进程复制有关的代码，感觉很神奇，不甚理解，所以找了一些相关的资料想要弄明白 Linux 的 fork、进程复制到底是怎么工作的，于是有了这篇文章。
那段代码是这样的：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <wait.h>
int main() {
	int pid, status;
	pid = fork();
	if (pid == 0) {
		// /bin/echo是 Linux 自带的 echo 命令的源代码所在的位置
		char *argv[] = {"/bin/echo", "THIS","MESSAGE", "IS", "FROM", "ECHO", NULL};
		execve("/bin/echo", argv, NULL);
		printf("exec failed!\n");
		exit(1);
	} else {
		printf("parent wating!\n");
		wait(&status);
		printf("the child exited with status %d \n", status);
	}
	exit(0);
}

(base) root@iZuf65cax8rsfekcyp3ytyZ:~/testfork# gcc tfork.c -o test
(base) root@iZuf65cax8rsfekcyp3ytyZ:~/testfork# ./test
parent wating!
THIS MESSAGE IS FROM ECHO
the child exited with status 0 

上面的代码是调用了系统的 echo 命令，如果我们把命令换成一个不存在的命令，那么就会报错，我们来修改一下代码生成 errorfork.c ：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <wait.h>
int main() {
	int pid, status;
	pid = fork();
	if (pid == 0) {
		// 当前目录下没有名为 echo 的文件，所以 execve 会执行失败
		char *argv[] = {"echo", "THIS","MESSAGE", "IS", "FROM", "ECHO", NULL};
		execve("echo", argv, NULL);
		printf("exec failed!\n");
		exit(1);
	} else {
		printf("parent wating!\n");
		wait(&status);
		printf("the child exited with status %d \n", status);
	}
	exit(0);
}

(base) root@iZuf65cax8rsfekcyp3ytyZ:~/testfork# gcc errorfork.c -o errorfork
(base) root@iZuf65cax8rsfekcyp3ytyZ:~/testfork# ./errorfork
parent wating!
exec failed!
the child exited with status 256 

大家可以用在线C语言编译器 来做一下这个实验试试看。
我当时看到这个实验觉得有两点很不能理解：

• fork() 函数调用返回了两个值，if 和 else 子句都会被执行，超出认知了，感觉很神奇。
• 如果 execve 函数执行成功了，这个函数后面的代码就不会再被执行了，只有失败了就会继续执行下去，超出认知了，为什么一个函数调用，如果成功了它就不会回到它的原始调用点了？

基于这两个疑惑我找了一些资料，了解了 fork 的运行机制，总结成了这篇文章。

初识 fork

fork 是叉子的意思，进程复制函数为什么要叫 fork 呢，这就要从 fork 的起源说起了

fork 的思想最初是 Conway 作为一种多处理器并行的方案提出来的，这个想法非常有意思。简而言之，fork 思想来源于流程图。看上面这张流程图，从 fork 点开始产生分叉，产生了一个新进程，可以和原来的进程并行执行，就像叉子一样。
先来解决第一个疑惑，为什么 fork 函数会有两个返回值， if 和 else 语句都会被执行到？因为 fork 函数是把父进程完全复制了一遍，所以复制出来的子进程它下一步应该执行的就是 if 语句， 父进程要执行的代码一样，只是他俩的 pid 不一样，所以进入了不同的选择分支，也就是说，新进程的代码段寄存器、数据段寄存器、堆栈寄存器和指令指针寄存器里的内容都和父进程一样，父进程的指令指针指向了 pid = fork() 这句代码，它接下来要执行这句代码下面的后续代码，同样，子进程的指令指针也指向了这句代码，只是 fork 的返回值不一样，所以子进程后续会进入 pid == 0 的分支，而父进程会进入另一个分支。
再来解决第二个疑惑，为什么执行 exec 函数成功之后就不回到原来的函数调用点了？因为 exec 把所要执行的新的函数代码加载到了这个子进程里，子进程原始的代码就无了，自然也不会回到调用 exec 的地方了。