C言語でfork()がどのような順番で実行されているのかを知りたい

Question

C言語でfork関数を使い、PIDをそれぞれ表示する以下のプログラムを作成したのですが、結果が

PARENT_PID = 4383

CHILD_PID_3 = 4386
CHILD_PID_2 = 4385
CHILD_PID_1 = 4384

という順番になり、実行順がどうも納得いきません。最初の

　　pid_a = fork();

で返り値に0を受け取った子プロセスが

else if(pid_a == 0){
printf("CHILD_PID_1 = %d\n",getpid());
sleep(2);
}

で引っかかって

CHILD_PID_1 = 4384

が最初に表示されると思っていたのですが、何度やっても上記の実行結果になります。

何か実行順に決まりがあるのでしょうか？

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main(void){
    pid_t pid_a,pid_b,pid_c;

    pid_a = fork();

    if(pid_a == -1){        
	    fprintf(stderr, "fork has failed.\n"); 
        sleep(2);
    }else if(pid_a == 0){       
	    printf("CHILD_PID_1 = %d\n",getpid());
        sleep(2);        
    }else{
	    pid_b = fork();
	    if(pid_b == -1){
	        fprintf(stderr, "fork has failed.\n"); 
            sleep(2);
	    }else if(pid_b == 0){        
	        printf("CHILD_PID_2 = %d\n",getpid());
            sleep(2);        
	    }else{
	        pid_c = fork();
	        if(pid_c == -1){
		        fprintf(stderr, "fork has failed.\n"); 
                sleep(2);
	        }else if(pid_c == 0){           
		        printf("CHILD_PID_3 = %d\n",getpid());
                sleep(2);            
	        }else{            
		        printf("PARENT_PID = %d\n",getpid());
                sleep(2);            
	        }
	    }
    }

    return 0;
}

Answer 1

あなたが、
CHILD_PID_1 = xxxx
CHILD_PID_2 = xxxx
CHILD_PID_3 = xxxx
PARENT_PID = xxxx
のようになることを期待していたのは、
「プログラムは上から順に実行される」ため、その順になると考えたのかと想像します。
もちろん、それであっていますが、forkした後はプログラム（プロセス）が２つに分かれ、２つ同時に
実行されます。
図でいうと①の個所からプログラムが２つ同時に走ります、（②、③も同様）
ソース上では①、②、③の個所になります。
①、②、③は親プロセスと子プロセスで別々に実行されることに注意してください。
その時、どちらのプログラムが先に実行されるかは、他の方のおっしゃる通りで、OSの制御に依存し、どちらが先になるかはわかりません。

もし、あなたが
CHILD_PID_1 = xxxx
CHILD_PID_2 = xxxx
CHILD_PID_3 = xxxx
PARENT_PID = xxxx
となることを期待するなら
以下のように追加①、追加②、追加③の行を追加してください。
そこで意図的にスリープするので、子プロセスが必ず先に実行されます。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main(void){
    pid_t pid_a,pid_b,pid_c;

    pid_a = fork();

    if(pid_a == -1){        ・・・・・・・・・・・・・・・①
        fprintf(stderr, "fork has failed.\n");
        sleep(2);
    }else if(pid_a == 0){
        printf("CHILD_PID_1 = %d\n",getpid());
        sleep(2);
    }else{
        sleep(1);・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・追加①
        pid_b = fork();
        if(pid_b == -1){・・・・・・・・・・・・・・・・・②
            fprintf(stderr, "fork has failed.\n");
            sleep(2);
        }else if(pid_b == 0){
            printf("CHILD_PID_2 = %d\n",getpid());
            sleep(2);
        }else{
            sleep(1);・・・・・・・・・・・・・・・・・・・追加②
            pid_c = fork();
            if(pid_c == -1){・・・・・・・・・・・・・・・③
                fprintf(stderr, "fork has failed.\n");
                sleep(2);
            }else if(pid_c == 0){
                printf("CHILD_PID_3 = %d\n",getpid());
                sleep(2);
            }else{
                sleep(1);・・・・・・・・・・・・・・・・・追加③
                printf("PARENT_PID = %d\n",getpid());
                sleep(2);
            }
        }
    }

    return 0;
}

Comments

[rubato6809]

図を示したのが良いですね。

[patama]

なるほど！ありがとうございました！

Answer 2

fork() すれば新たに子プロセスが作られ、fork() 直後のコードを走るプロセスが２つになる・・・そこは分かってると思う。さて親と子、２つのプロセスがあるということは、親プロセスも子プロセスも、その他の（たぶんアクティブな）プロセスも、ＯＳ内部のプロセスキューに並んでいる状態です。その時、親と子、どちらが先に動くか、それはＣ言語の問題ではなくて、ＯＳのプロセススケジューリングの問題です。そのプログラムの問題というより、ＯＳの問題だということを強調します。

なので、ご使用のＯＳ・動作環境を明らかにして、その筋の質問として問いなおすと良いかもしれません。現在だとＣＰＵのコア数が関係するかもしれません。

ちなみに、そのコードを私の手元で動かしてみると、その都度表示の順番が変化しました。私のＰＣのＯＳはLinux(Ubuntu 16.04)です。

$ ./a.out 
PARENT_PID = 26949
CHILD_PID_1 = 26950
CHILD_PID_2 = 26951
CHILD_PID_3 = 26952
$ ./a.out 
CHILD_PID_1 = 26959
PARENT_PID = 26958
CHILD_PID_2 = 26960
CHILD_PID_3 = 26961
$ ./a.out 
PARENT_PID = 26963
CHILD_PID_2 = 26965
CHILD_PID_1 = 26964
CHILD_PID_3 = 26966
$ ./a.out 
PARENT_PID = 26967
CHILD_PID_2 = 26969
CHILD_PID_3 = 26970
CHILD_PID_1 = 26968
$ ./a.out 
CHILD_PID_1 = 26972
PARENT_PID = 26971
CHILD_PID_2 = 26973
CHILD_PID_3 = 26974

Answer 3

Cというより、OSの問題です。順序がどうなるかは決まっていません。
他のプロセスのコア使用状態などによって、同じ環境で繰り返し実行しても違う結果になるかと思います。

お書きの結果は、親プロセスが連続してCPUをもらい続けたということでしょう。