linux 父子进程数据共享

如果你对代码段、数据段、栈、堆存放哪些数据还不是很清楚,请先看我写和Linux 内存管理

有时会出现父子进程变量的地址一样,但值不一样。看下面代码:

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>

main(){
    char str[4]="asd";
    pid_t pid=fork();
    if(pid==0){
        str[0]='b';
        printf("子进程中str=%s\n",str);
        printf("子进程中str指向的首地址:%x\n",(unsigned int)str);
    }
    else{
        sleep(1);
        printf("父进程中str=%s\n",str);
        printf("父进程中str指向的首地址:%x\n",(unsigned int)str);
    }
}

输出:

子进程中str=bsd
子进程中str指向的首地址:bfc224dc
父进程中str=asd
父进程中str指向的首地址:bfc224dc

这里就涉及到物理地址和逻辑地址(或称虚拟地址)的概念。

从逻辑地址到物理地址的映射称为地址重定向。分为:

静态重定向–在程序装入主存时已经完成了逻辑地址到物理地址和变换,在程序执行期间不会再发生改变。

动态重定向–程序执行期间完成,其实现依赖于硬件地址变换机构,如基址寄存器。

逻辑地址:CPU所生成的地址。CPU产生的逻辑地址被分为 :p (页号) 它包含每个页在物理内存中的基址,用来作为页表的索引;d (页偏移),同基址相结合,用来确定送入内存设备的物理内存地址。

物理地址:内存单元所看到的地址。

用户程序看不见真正的物理地址。用户只生成逻辑地址,且认为进程的地址空间为0到max。物理地址范围从R+0到R+max,R为基地址,地址映射-将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成内存中的物理地址的过程。由内存管理单元(MMU)来完成。

fork()会产生一个和父进程完全相同的子进程,但子进程在此后多会exec系统调用,出于效率考虑,linux中引入了“写时复制“技术,也就是只有进程空间的各段的内容要发生变化时,才会将父进程的内容复制一份给子进程。在fork之后exec之前两个进程用的是相同的物理空间(内存区),子进程的代码段、数据段、堆栈都是指向父进程的物理空间,也就是说,两者的虚拟空间不同,但其对应的物理空间是同一个。当父子进程中有更改相应段的行为发生时,再为子进程相应的段分配物理空间,如果不是因为exec,内核会给子进程的数据段、堆栈段分配相应的物理空间(至此两者有各自的进程空间,互不影响),而代码段继续共享父进程的物理空间(两者的代码完全相同)。而如果是因为exec,由于两者执行的代码不同,子进程的代码段也会分配单独的物理空间。
fork之后内核会通过将子进程放在队列的前面,以让子进程先执行,以免父进程执行导致写时复制,而后子进程执行exec系统调用,因无意义的复制而造成效率的下降。

fork时子进程获得父进程数据空间、堆和栈的复制,所以变量的地址(当然是虚拟地址)也是一样的。

每个进程都有自己的虚拟地址空间,不同进程的相同的虚拟地址显然可以对应不同的物理地址。因此地址相同(虚拟地址)而值不同没什么奇怪。
具体过程是这样的:
fork子进程完全复制父进程的栈空间,也复制了页表,但没有复制物理页面,所以这时虚拟地址相同,物理地址也相同,但是会把父子共享的页面标记为“只读”(类似mmap的private的方式),如果父子进程一直对这个页面是同一个页面,知道其中任何一个进程要对共享的页面“写操作”,这时内核会复制一个物理页面给这个进程使用,同时修改页表。而把原来的只读页面标记为“可写”,留给另外一个进程使用。

这就是所谓的“写时复制”。正因为fork采用了这种写时复制的机制,所以fork出来子进程之后,父子进程哪个先调度呢?内核一般会先调度子进程,因为很多情况下子进程是要马上执行exec,会清空栈、堆。。这些和父进程共享的空间,加载新的代码段。。。,这就避免了“写时复制”拷贝共享页面的机会。如果父进程先调度很可能写共享页面,会产生“写时复制”的无用功。所以,一般是子进程先调度滴。

子进程复制了父进程的行缓冲

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
        printf("one");
        fork();
        printf("two/n");
        return 0;
}
复制代码

输出

onetwo

onetwo
首先要清楚stdin和stdout都是行缓冲,stderr是无缓冲。”one”存放在父进程的行缓冲里,子进程复制了父进行程的行缓冲,所以子进程也会打印输出”one”。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
        printf("one");
        fflush(stdout);
        fork();
        printf("two/n");
        return 0;
}

输出

onetwo

two

想消除行缓冲所带来的困扰,方法如下

1、输出数据后加换行符

2、使用fflush之类的函数强制刷新

3、使用setbuf,setvbuf函数设置缓冲区大小

4、使用非缓冲的的流,如stderr.

 

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