前面對 fork 函數牛刀小試，相信你已基本掌握了簡單的“影分身術”了，不過在篇末，卻為各位留下了一些坑位。為了能夠說明白一些問題，本篇将讨論有關程序的一些必備知識，以及 fork 函數的底層實作。如此一來，也友善加深對其它有關問題的了解。當然，如果你對此完全不感興趣，大可跳過。
本文所讨論的範圍，限制在 32 位的 linux 作業系統。
1. 程序空間
這裡的程序空間，說的就是程序虛拟位址空間。
稍微懂點程式設計和作業系統的同學都應該知道，每個程序都有自己的 4GB 虛拟位址空間，這具有深遠的意義。有個經典的 C 語言的例子，就是程序 A 中往位址
0x50000000
寫入一個 int 類型的整數 100，然後在程序 B 的位址
0x50000000
寫入另一個 int 類型的整數 1000，最後兩個程序再各自通過 printf 函數列印這兩個位址儲存的值，發現程序 A 仍然可以正常列印 100，而程序 B 正常列印出 1000.
這段代碼，可以在windows 系統的 visual studio 模拟（沒有使用 linux 是因為 linux 不直接提供在指定位址上配置設定記憶體的函數，另外在概念上，windows 的程序空間和 linux 是互通的，不會有太大差別）。
- 程序 A 的代碼
#include <windows.h>
int main()
{
int *buf = (int*)0x50000000;
LPVOID res = VirtualAlloc((LPVOID)buf, sizeof(int), MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);
if (res != buf) {
printf("ERROR!\n");
return 1;
}
*buf = 100;
printf("A = %d\n", *buf);
Sleep(3000);
return 0;
} - 程序 B 的代碼
#include <windows.h>
int main()
{
int *buf = (int*)0x50000000;
LPVOID res = VirtualAlloc((LPVOID)buf, sizeof(int), MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);
if (res != buf) {
printf("ERROR!\n");
return 1;
}
*buf = 1000;
printf("B = %d\n", *buf);
Sleep(3000);
return 0;
} 然後開啟了兩個控制台視窗，同時（隻要 A 程序沒結束的情況下啟動 B 程式就行了）運作這兩個程式，結果如下。
圖 1
形成圖 1 中現象的原因在于程序 A 和程序 B 的位址空間是隔離的，盡管它們都在位址 0x50000000 這個位置寫了不同的值，但是各自都互不影響。這就好像我在我家菜地的5号地種的洋芋，你在你家菜地的5号地種的黃瓜，根本就是誰也挨不着誰。
圖 2
2 虛拟位址到實體位址的映射
對于程序來說，其實屬于程序那一塊菜地，是虛拟的，是假的。這中間有一步到實體位址的映射過程。就好像上面的菜地，你看到的是菜地也是假的。要怎麼了解這件事情，難道你看到的不是菜地嗎？
2.1 種菜的故事
不妨假設一下，親自下地種菜的人不是你本人，而是由另一個管家代勞。而你，隻負責下達指令就行了。當你來到這個世上，你老爸就告訴你，你有一塊的菜地，被分成了16個小塊，你可以在任意一塊地上随便種，你想種什麼，種在哪塊地上，和管家說一聲就行了，你想從地上摘什麼菜，也和管家說就行了。你爸把菜地大概的樣子畫給你看，就像圖 2 中的那樣。
除此之外，你還有一個弟弟，你老爸也和你弟說了相同的話，你弟弟也有和你一塊一樣大小的地，而且你弟弟要種菜，也隻要給你家的管家下達指令就行。
就這樣，你和你弟弟就在圖 2 那樣的菜地上，各自快樂的種着菜，生活了幾年；可是你并不知道你家菜地真實情況是長啥樣，你弟弟也同樣不知道。你和你弟弟知道的菜地的樣子，僅僅就是你老爸當初給你們畫出來的圖 2 的樣子。
其實對你來說，菜地長啥樣都無所謂了。你的菜地上有什麼，統統問管家，你想在哪塊地上種什麼，也由管家代勞。
2.2 菜地長什麼樣
就這樣，5年過去了。種了 5 年菜的你已經不耐煩了，突然有一天，你想親自看看你的菜地。你不顧一切管家的阻撓，帶着你弟弟，一起來到了所謂的菜地，這時候，你們慌了。你們看到的菜地，實際是圖 3 這樣的。根本就沒有你和你弟弟的菜地，你們種的菜，全都隻是在圖 3 這塊地上。
圖 3
管家氣喘籲籲的正好趕來了，你和你弟弟剛好和他對簿公堂。隻有一塊地，卻騙了你們 5 年。管家是如何做到的？再三追問下，管家拿出了他的兩本筆記本，說秘密都在這裡了。其中一本記錄了你的菜地使用情況，另一本記錄了你弟弟的菜地使用情況。
管家繼續說到，如果你說要去你的 5 号地取洋芋，他就會翻翻筆記本，看看你的 5 号地對應實際哪塊地，比如現在就對應着實際的 3 号地，管家就會去 3 号地把東西取給你。對你弟弟也是一樣，隻要拿出相應對應的筆記本就可以很快查到。這就好像是下面這個樣子。
圖 4
2.3 程序的那塊地
看完前面的故事，我希望你能夠觸類旁通，每個程序生來認為自己有 4GB 的虛拟位址，可卻被“管家”（作業系統）欺騙了一生，它沒有你和你弟那麼幸運，最終破解這個分地謎題。程序在自己的土地上心情的揮霍，它意識不到真正的菜地到底有多大（你的實體記憶體），隻要“管家”能夠滿足它的需求就行了（管家甚至做了記憶體交換這種事，因為實際的土地隻有 0 到 20 号，一共 21 塊地，而你和你弟弟的地加起來有 32 塊，萬一土地不夠了，管家就會偷偷的把你們不經常用的土地裡的東西取到硬碟上）。
值得一說的是管家的筆記本，對應到程序這裡就是頁表的概念，有關這一塊的知識，不詳細展開，對細節感興趣的同學，請參考我的另一個筆記《OS學習筆記》。
3. fork 幹了什麼
有了程序空間的概念，就很容易知道 fork 做了什麼事。以前面的菜地為例，再假設你沒有弟弟。fork 的含義有點類似下面這樣：
- 你告訴你老爸，給我生個弟弟出來。
- 你告訴你的管家，給我弟弟種一片和我的菜地一模一樣的菜地出來。
這一切完成後，菜地應該是這樣的。
圖 5 你弟弟複制了一份你的菜地
那麼再此之後，你種什麼，你弟弟種什麼就各不相幹了。
相對于程序來說，這兩個程序的程序空間是一模一樣。
4. 上一篇的遺留問題
如果你完成上一篇最後一節總結裡的實驗，你會驚訝的發現，tmp 檔案内容和直接運作
./myfork
列印在螢幕上的結果是完全不一樣的。
tmp 檔案裡的内容，應該像下面這樣：
Hello, I'm father
before fork
I'm father 3542; my child is 3543
before fork
I'm child 3543; my father is 3542 執行
./myfork
列印到螢幕上的内容，卻是這樣：
Hello, I'm father
before fork
I'm father 4382; my child is 4383
I'm child 4383; my father is 4382 你比較感興趣的地方應該在于 tmp 檔案裡的 before fork 竟然出現了兩次！這個謎題在這一篇相信你可以搞清楚，原因在于 printf 這個函數，它是帶緩沖區的！！！
當 printf 接收到字元串後，第一件事情是把字元串複制到一個 char 數組（緩沖區）裡，當這個數組遇到了特定的字元，比如 ‘\n’ 字元，回車或者裝滿等等，就會立即把字元寫到螢幕終端上。
而當我們把 printf 重定向到檔案的時候，如果 printf 函數遇到 ‘\n’ 字元，并不會立即把字元寫到檔案裡，這是 printf 函數将字元定向到螢幕和檔案的重要差別。
是以當
./myfork > tmp
這個程序執行到 fork 的時候，printf 裡的緩沖區資料還沒來得及被重新整理到 tmp 檔案裡，就被 fork 函數複制了，同時，printf 的緩沖區也被複制了一模一樣的一份出來。這也就是為什麼子程序裡為什麼子程序也會輸出 before fork 的原因。
5. 關于 fork 函數的傳回值
前一節講了 fork 就是将程序的位址空間完完全全的複制了一份（不是100%複制，除少數幾個地方外），實際在複制完後，作業系統會悄悄的修改複制出來的程序空間裡的 fork 函數的傳回值，把它改成 0（準确的說不是改，而是根本就沒有複制原來的值，直接把它指派為 0）。
這也就是子程序 fork 函數傳回了 0 的原因。
6. 寫時複制技術
到此 fork 并沒結束。早在 linux 0.11 裡，fork 函數就實作了 Copy On Write(COW) 機制，也就是寫時複制技術。什麼意思呢？
你告訴管家給你弟弟種一份一模一樣的菜地時，管家并沒有照做，他幹了下面這樣的事情：
圖6 讀時共享
不得不說，這管家已經懶到家了……但是也不得不說，管家很聰明。
當你弟弟隻是問問管家，我的 5 号地種了什麼？管家什麼也不用管，直接查查筆記就告訴你弟弟，這是洋芋就行了。
當你和你弟弟任何一方想挖掉在 5 号地上的洋芋了怎麼辦？這豈不是很糟糕？不會的。聰明的管家早就意識到了這個問題。如果你弟弟需要挖掉他 5 号地，管家這時候才會真正的把你的 5 号地再複制一份出來，然後從真正的土地做一個映射，配置設定到你弟弟的 5 号地上，你弟弟愛怎麼挖怎麼挖，都不會影響到你。
7. 總結
- 了解程序空間的概念，知道程序的位址是虛拟的
- 知道程序位址空間之間是隔離的
- 了解程序虛拟位址和實體位址之間的映射關系
- 了解 fork 函數的工作原理
- 了解為什麼子程序的 fork 函數傳回 0
- 了解寫時複制技術