一道值得思考的fork()面试题

程序如下，判断输出多少个'_'

./a.out

int main(){
    for(int i = 0; i < 2; ++i){
        fork();
        printf("_");
    }        
}

熟悉fork的话，这里很容易就能知道，一共产生了3个子进程，还有一个父进程，所以一共是四个进程；每次fork之后都会输出一个'_'，那么在这里应当的输出是6个'_'

 但是实际输出却是 8个'_'； 但是如果在printf("_")之后使用fflush(stdout)，或者使用printf("\n")清空输出缓冲区来输出则结果就是6个了，这就不得不再返回来谈一谈printf的输出机制。

• 标准I/O对待缓存的数据采用3种不同的策略，全缓冲、行缓冲、无缓冲。
• 对于没有交互的终端，例如块设备文件，系统采用全缓冲；（比如输出到文件）
• 对于标准输入，标准输出这样交互设备采用行缓冲；（输出到屏幕或控制台）
• 对于需要立即响应的设备，例如标准错误采用无缓冲；

printf函数只有当缓冲区被刷新的时候才会输出数据，在此之前只是将数据存放到缓冲区。

理解了这点后，再去分析上述代码；首先只有一个进程a.out，缓冲区为空；第一次fork()后，父进程a.out产生了一个子进程“子1”，子进程复制父进程的缓冲区（此时为空），然后printf将"_"先放入缓冲区内，a.out与"子1"的缓冲区内各有一个"_";

第二次fork()后，a.out产生了一个子进程"子2"，“子1”产生了一个子进程“子3”，“子2”和“子3”均从各自的父进程复制了缓冲区的“_”，此时，a.out,"子1"，“子2”，“子3”各自的缓冲区内均有一个“_”，接下来的printf语句又将”_“分别放入了四个进程的缓冲区内（图中用黑色标识的_），此时，循环结束，四个进程的各自缓冲区内都分别有两个"_"，总共8个，特殊之处在于，”子2“与”子3“的缓冲区内的第一个”_“是复制各自的父进程缓冲区得到的，a.out与"子1"的缓冲区内的第一个"_"是printf累积”_“的结果。如此一来，循环结束后，程序就要结束了，此时缓冲区刷新输出了8个"_".

 到这里，这道题已经讲的很明白了，为了深入理解，再通过几个代码详细理解一下缓冲区的刷新机制：

int main(){
    printf("hello");
    //fflush(stdout);
    sleep(5);    
    int m = 5;
    m = 7;
    while(m-->0){
        printf("*"); 
    }
    //printf("\n");
    sleep(3);        
    printf("world");
} 

这个程序将如何输出呢？如果去掉注释输出结果又是什么？先思考一下吧。

理想中的输出应该是先输出 "hello",等待5秒，输出7个'*'，再等待3秒，输出"world"；但是实际情况却是等待 8秒，一瞬间输出”hello*******world“.

如果去掉注释呢？就是我们所期盼的第一种情况了；造成这种现象的原因上面已经提到了，就是printf并非直接输出，而是先攒到缓冲区里，等待缓冲区刷新再输出；这段程序中的两条注释语句均可以刷新行缓冲策略的缓冲区（行缓冲与全缓冲在文章末尾）。

那么来看一下缓冲区刷新的时机吧

• 1.遇到“\n”,立即刷新缓冲区。（行缓冲）
• 2.程序调用fflush函数刷新缓冲区
• 3.程序以exit结束，缓冲区会刷新。如果以_exit结束，缓冲区数据会被直接清空。
• 4.缓冲区满，也会将缓冲区数据刷新出来。

这样子便不难理解了吧。可惜刚开始学习printf的时候总是习惯性在后面加一个'\n'，所以这么久了这么重要的一个缓冲区机制居然才知道。

最后再用一个例子补充一下行缓冲与全缓冲的区别

int main(){
    printf("hello world\r\n");
    if(0 == fork()){
        printf("son\r\n");
    }else{
        printf("father\r\n");
    }                                                                           
}

先普通执行一下输出结果为一条"hello world"，一条"son"，以及一条"father"；

再将输出位置重定向到文件，输出结果多了一条"hello world"

 同样的程序，只因为输出位置的不同，结果也就不同，这是因为第一种使用了标准输出也就是控制台和屏幕，采用行缓冲策略；第二种将标准输出重定向到文件，采用的是全缓冲策略；行缓冲策略中的'\n'对全缓冲无效；所以又回到了文章开始的那道面试题的缓冲区复制。由于是全缓冲，并不会刷新缓冲区，因此fork时子进程复制了父进程的缓冲区，里面有一条”hello world“，此时父子进程再各自往缓冲区中攒了"father"和'son'；因此就呈现出最终的输出结果啦。

（这种缓冲区机制在C++中的cout也是一样的）

完。