fork() 與父／子行程關係

一個行程怎麼建立另一個？在類 Unix 系統上，基本答案出奇地古怪：一個行程把自己複製一份。fork() 系統呼叫把執行中的行程拿來，做出一個幾乎一模一樣的副本——同樣的程式碼、同樣的變數值、同樣開著的檔案、同樣執行到的位置。你現在有兩個行程：原本的（父行程）與新的副本（子行程）。這比較不像打造一個新程式，更像細胞分裂：一個變成兩個，兩者都從 fork() 之後的下一行繼續跑。

著名的轉折在於 fork() 會回傳兩次——每個行程各一次——而每個副本正是靠這唯一的回傳值得知自己是誰。在父行程裡，fork() 回傳子行程的 PID（一個正數）。在子行程裡，fork() 回傳 0。（失敗時在父行程回傳 -1，且不會造出子行程。）所以同一行程式碼在兩者都跑，卻走不同分支：「如果回傳值是 0，我是子行程；否則我是父行程，而這個數字是我子行程的 PID。」fork 之後兩個行程彼此獨立——它們有各自的定址空間，所以子行程改的變數不會改到父行程，反之亦然。為了避免瞬間複製可能高達數 GiB 的記憶體，現代核心採用寫入時複製：父與子起初共用同一批標記為唯讀的實體分頁，只有當其中一方真的去寫某一頁時，那一頁才被複製。分裂在邏輯上立即發生，在實體上則按需才發生。

為何重要：fork() 是每棵行程樹生長的根源——除了 init 之外的每個行程都源自一次 fork。它與 exec()（下一個詞）搭配來啟動新程式，與 wait() 搭配來清理子行程。雙重回傳是對新手而言最令人驚訝的一件事，而搞錯它——以為 fork() 之後的程式碼只跑一次——是經典的錯誤。另要注意：fork() 複製整個定址空間，但與執行緒搭配時有尖銳的陷阱（在子行程裡只有呼叫它的那條執行緒存活），這也是 fork 接 exec 之所以是安全日常模式的原因之一。