一、进程的层次结构

在Linux操作系统中，允许一个进程创建另一个进程，通常把创建进程的进程称为父进程，而把被创建的进程称为子进程。子进程可继续创建更多的孙进程，由此便形成了一个进程的层次结构。子进程可以继承父进程所拥有的资源。
注：windows中不存在任何进程层次结构的概念，所有的进程都具有相同的地位。因此下面的函数和头文件仅存在于Liunx系统中。

二、常用函数

（1）fork函数

#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>  //头文件
pid_t fork(void)   //函数原型
（pid_t 是一个宏定义，其实质是int 被定义在#include<sys/types.h>中）

fork调用用于创建一个新进程 (子进程 )，它与系统调用fork的进程 (父进程 ) 同时运行。创建新的子进程后，两个进程将执行函数fork的下一条指令。子进程使用相同的pc (程序计数器 )，相同的CPU寄存器，即子进程把父进程当前的情况拷贝一份，子进程和父进程的资源是相同的。

fork不需要参数。

fork会返回两个返回值，一个返回到子进程，一个返回到父进程。
对于返回到子进程的值：① （负值 $-1$）创建子进程失败。② （零）返回到子进程。
对于返回到父进程的值：（正值）返回到父进程，该值包含新创建的子进程的进程ID。
因此，如果创建新进程成功，则出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程。在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID。用数据结构的知识来理解，其实就相当于链表，进程形成了链表，父进程的fork函数返回的值指向子进程的进程id,，因为子进程没有子进程，所以其fork函数返回的值为0。

看下面的代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main(void)
{
    fork();
    printf(“S\n”);
}    
//子进程和父进程都打印出S

运行结果：

注：代码编写和运行的知识可以查看此网址。
https://blog.csdn.net/weixin_45920385/article/details/109373809

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进一步对fork和进程层次结构的了解，看如下代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main(void)
{
    fork();
    fork();
    fork();
    printf(“S\n”);
}    

运行结果：

分析：

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（2）getfork函数

#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>  //头文件
getfork(void)

getfork函数返回值是目前进程的进程ID。
例子在第三部分展示。

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（3）lockf函数

#include <unistd.h>   //头文件
int lockf(int fd, int cmd, int len)    //函数原型

lockf函数对指定区域（有len指示）的资源进行加锁或解锁，以实现进程的同步或互斥。
① fd 是打开文件的文件描述符。
② cmd 是指定要采取的操作的控制值。1是进行锁定，0是解锁。
③ len是要锁定或解锁的连续字节数。

对于这个函数我们主要掌握两个常用命令
1）当len = 0时是个特殊情况，它代表锁定区域从该函数到程序结尾。lockf(1,1,0)意思是该进程的编号为1，并对进程的资源进行锁定，锁定区域从该函数到程序结尾。
2)lockf(1,0,0)意思是对编号为1的进程进行解锁，释放资源。

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三、具体演示

（1）

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main(void)
{
    int pid;
    pid=fork();
    if(pid < 0)
    	printf(“error in fork”);
    else if(pid == 0)
    	printf(“I am the child process, my process id is %d\n”,getpid());
    else
    	printf(“I am the parent process, my process id is %d\n”,getpid());
}

运行结果：

分析：
函数fork()被调用后，若是创建新进程成功，则出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程。在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID。 ，对于子进程，此时 $pid=0$，则运行的是第$11$行的输出语句；对于父进程，此时 $pid\ne 0$，则就会运行第$13$行的输出语句 （子进程 ID为父进程 ID加 1）。

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（2）在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示字符”a”,子进程分别显示字符”b”和”c”。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
	int p1,p2;
    while((p1 = fork()) == -1);
    if(p1 == 0)
    	putchar('b');
    else
    {
    	while((p2 = fork()) == -1);
    	if(p2 == 0)
        	putchar('c');
    	else
        	putchar('a');
     }
}

运行结果：

分析：
两个while语句都是检测fork()调用是否出错，没有出错则退出循环。所以第一个while语句循环推出后 $p_1$ 必定不等于 $-1$，当然在父进程 $p_1>0$，所以直接跳到第二个while语句，再进行循环，同理也可以知道在其父进程中 $p_2>0$，所以接下来先打印 $a$，然后回到第一个子进程，此时 $p_1=0$，所以打印 $b$，到下一个子进程，可知 $p_2=0$，则打印 $c$。

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（3）实现进程之间的互斥。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main(void)
{
	int p1,p2;
    p1 = fork();
    if(p1)
    {
    	lockf(1,1,0);
    	printf("parent\n");
    	lockf(1,0,0);
    }
    else
    {
    	lockf(1,1,0);
    	printf("child\n");
    	lockf(1,0,0);
    }
}

运行结果：
情况一：

情况二：

分析：
可以看到运行结果有两种情况，发现即使没有lockf函数的影响下也是这两种情况，只体现了父进程和子进程同时执行的特性，而互斥体现在哪里呢，接下来进行分析。首先看情况一，运行fork()函数；在父进程中，可知 $p_1>0$进入了第一个代码块中，运行lockf(1,1,0)把父进程的资源 （同一时刻只可以有一个进程执行输出的资源） 锁住了，因此只能等待父进程把 $parent$ 输出之后然后解锁资源；解锁了资源后子进程再进行对资源加锁输出 $child$。情况二其实同理，在子进程中，可知 $p_1=0$，进入而第二个代码块中，运行lockf(1,1,0)子进程把资源进行加锁，输出$child$后，解锁后父进程才能使用输出资源。综上所诉我们可以看出，无论是父进程先执行，还是子进程先执行，都会分别占用资源，只有资源释放了另一个进程才可使用，因此达到了互斥的关系。

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