Bài 40.228 phút đọc

fork và Copy-on-Write

Sau bài này bạn sẽ làm được

Giải thích fork trả về gì ở cha và ở con
Giải thích Copy-on-Write làm fork nhanh thế nào
Tránh bẫy bộ đệm stdio bị nhân đôi
Không bao giờ viết fork bomb

fork là lời gọi hệ thống kỳ lạ nhất trong C: bạn gọi nó một lần, và nó trả về hai lần, ở hai tiến trình khác nhau. Hiểu điều đó là chìa khoá của mọi lập trình đa tiến trình.

#Một lời gọi, ba giá trị

fork.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(void) {
    printf("Truoc fork: PID=%d\n", getpid());

    pid_t pid = fork();          /* MOT loi goi, HAI tien trinh tra ve */

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        /* TIEN TRINH CON: fork tra ve 0 */
        printf("CON : PID=%d, cha=%d\n", getpid(), getppid());
        _exit(0);                /* dung _exit trong con, xem Bai 40.1 */
    } else {
        /* TIEN TRINH CHA: fork tra ve PID cua con */
        printf("CHA : PID=%d, con=%d\n", getpid(), pid);
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);
        if (WIFEXITED(status))
            printf("Con thoat voi ma %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
    return 0;
}

terminal

gcc fork.c -o fork && ./fork

Truoc fork: PID=25104
CHA : PID=25104, con=25105
CON : PID=25105, cha=25104
Con thoat voi ma 0

fork trả về	Ở đâu	Nghĩa
< 0	Tiến trình gọi	Lỗi: hết bộ nhớ hoặc quá giới hạn tiến trình
== 0	Tiến trình CON	Đây là con
> 0	Tiến trình CHA	Giá trị là PID của con

Đọc kỹ: sau fork, CẢ HAI tiến trình chạy tiếp từ cùng một dòng

pid_t pid = fork();

/* Sau dong nay, co HAI tien trinh, ca hai deu o day.
   Chung GIONG HET nhau tru MOT dieu: gia tri "pid".

   Trong CHA:  pid = PID cua con (mot so > 0)
   Trong CON:  pid = 0

   Do la ca cach ban phan biet minh dang o dau. Cau if...else
   khong "chia" tien trinh; no chi la CA HAI tien trinh cung
   chay cau if do, va moi cai di vao nhanh khac nhau vi pid
   khac nhau.

   Thu tu in ra KHONG doan truoc duoc: cha hay con chay truoc
   la do bo lap lich quyet dinh. Trong ban ghi tren cha in
   truoc, nhung lan khac con co the in truoc. Dung dua vao thu tu. */

#Copy-on-Write

Copy-on-Write (COW)

Kỹ thuật làm fork nhanh. Nhân không sao chép bộ nhớ ngay. Nó đánh dấu mọi trang là chỉ đọc và cho hai tiến trình dùng chung. Chỉ khi một bên ghi vào một trang, nhân mới nhân bản đúng trang đó.

/* Neu fork phai chep TOAN BO bo nho cua tien trinh (co the hang
   GB), no se rat cham. Copy-on-Write tranh viec do:

   Ngay sau fork:
     Cha va con CHIA SE moi trang bo nho, danh dau CHI DOC.
     fork gan nhu tuc thoi, chi chep bang trang.

   Khi mot ben GHI vao mot trang:
     Nhan phat hien ghi vao trang chi doc, NHAN BAN dung trang do,
     va cho ben ghi ban rieng. Chi trang bi ghi moi duoc chep.

   He qua:
     - fork nhanh, gan nhu khong ton bo nho luc dau
     - neu con exec ngay (thay chuong trinh), gan nhu khong trang
       nao bi chep -> cuc ky hieu qua
   Do la ly do mau fork + exec (Bai 40.3) re, du fork nghe co ve
   phai chep ca tien trinh. */

terminal

# Do thoi gian fork 1000 lan (con exit ngay)

./do_fork

1000 lan fork + exit: 42 ms
trung binh 42 micro giay moi fork
(COW: khong chep bo nho, chi bang trang)

Cha và con độc lập sau fork

int x = 10;
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    x = 20;                     /* con ghi -> COW chep trang -> con co ban rieng */
    printf("con: x=%d\n", x);  /* con: x=20 */
} else {
    wait(NULL);
    printf("cha: x=%d\n", x);  /* cha: x=10, KHONG doi */
}

/* Con ghi x = 20 chi doi ban SAO cua con. Cha van thay x = 10.
   Do la vi hai tien trinh co khong gian dia chi RIENG sau khi
   COW nhan ban trang chua x.

   Day la khac biet then chot voi luong (Chuong 45): luong CHIA
   SE bo nho, nen mot luong doi x thi luong khac thay ngay. */

#Bẫy bộ đệm

printf không có xuống dòng bị in ra hai lần

printf("hello");        /* CHUA co \n -> con nam trong bo dem stdout */
fork();                 /* bo dem duoc SAO CHEP sang con */
/* Ca cha va con deu co "hello" trong bo dem cua minh.
   Khi ca hai ket thuc va xa bo dem, "hello" in ra HAI lan. */

terminal

./bay_bo_dem

hellohello

stdout khi ghi ra terminal thì đệm theo dòng, nhưng khi ghi ra tệp hay ống thì đệm theo khối. Với đệm khối, hello không có \n nằm trong bộ đệm lúc fork, bộ đệm bị nhân đôi, và chuỗi in ra hai lần.

/* Hai cach chua: */

fflush(stdout);         /* 1. xa bo dem TRUOC khi fork */
fork();

printf("hello\n");      /* 2. luon co \n: dong duoc xa ngay khi ghi ra
                           terminal (dem theo dong) */
fork();

/* Va do la ly do trong CON nen dung _exit chu khong exit:
   exit() xa bo dem stdio, con thua huong ban sao bo dem cua cha,
   nen se xa lai nhung gi cha da co san -> in trung lap.
   _exit() thoat ngay, khong xa bo dem. Xem Bai 40.1. */

#Fork bomb

Không bao giờ chạy dòng này

while (1) fork();       /* TREO MAY: nhan doi tien trinh vo han */

/* Moi vong tao them mot tien trinh, va moi tien trinh MOI cung
   chay while(1) fork(). So tien trinh tang gap doi lien tuc:
     1 -> 2 -> 4 -> 8 -> 16 -> ... trong tich tac.

   Trong vai giay, bang tien trinh cua he thong day, khong con
   tao duoc tien trinh nao, va may gan nhu khong dung duoc,
   ke ca de mo mot terminal giet chung.

   Do la mot dang tan cong tu choi dich vu, va la mot cai bay
   ban co the vo tinh viet neu quen dieu kien dung fork.

   Phong chong:
     - Gioi han so tien trinh moi nguoi dung: ulimit -u
     - Trong ma: LUON co dieu kien dung ro rang, va kiem tra
       gia tri tra ve cua fork. */

Không kiểm tra fork

for (int i = 0; i < n; ++i) { if (fork() == 0) { lam_viec(i); /* QUEN _exit! con chay tiep vong for, fork THEM */ } } /* Con khong thoat sau khi lam viec -> no cung fork tiep, sinh so tien trinh bung no. */

Luôn kiểm tra và có điều kiện dừng

for (int i = 0; i < n; ++i) { pid_t pid = fork(); if (pid < 0) { perror("fork"); break; } /* kiem tra loi */ if (pid == 0) { lam_viec(i); _exit(0); /* con THOAT, khong fork tiep */ } /* chi CHA chay tiep vong for */ } for (int i = 0; i < n; ++i) wait(NULL); /* cho moi con */

Tự làm thử

Chạy fork.c nhiều lần và quan sát thứ tự in của cha và con thay đổi.
Sửa một biến trong con và chứng minh cha không thấy thay đổi.
Đo thời gian fork một nghìn lần và tính trung bình.
Tái hiện bẫy bộ đệm bằng printf không xuống dòng rồi chuyển hướng ra tệp.
Tạo cây tiến trình ba tầng: ông, cha, con, mỗi tầng in PID và PPID.
Đặt ulimit -u 50 trong một shell riêng và thử một vòng fork có kiểm soát tới giới hạn đó.

Trình chấm điểm tự động sẽ được bổ sung ở giai đoạn sau. Hiện tại bạn tự chạy thử trên máy.

Tóm tắt

fork gọi một lần, trả về hai lần: 0 ở con, PID của con ở cha, âm khi lỗi.
Sau fork cả hai tiến trình chạy tiếp từ cùng một dòng, chỉ khác giá trị trả về; thứ tự chạy không đoán trước được.
Copy-on-Write làm fork nhanh: chia sẻ trang chỉ đọc, chỉ nhân bản trang khi có ghi.
Bẫy bộ đệm: printf không \n trước fork bị in hai lần; xả bộ đệm hoặc dùng \n, và dùng _exit trong con.
Không bao giờ viết while(1) fork(); luôn kiểm tra giá trị trả về và có điều kiện dừng.