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Linux中的fork()是怎么实现的

Fork和它的变体是Unix系统创建进程 (process) 的方法,在这篇文章里我们会探索它是如何实现的。

Fork()简介

在多任务实时操作系统内,我们需要一个由已经存在的进程创建子进程的方法。Unix系统使用系统调用来创建子进程,这是fork以及它的变体的工作。

fork会为子进程创建一个单独的地址空间,以写时复制的方法分配物理内存。src.

当我们的系统从BIOS启动时,在main函数中只有一个进程:0号进程。和所有其他进程一样,它有一系列“状态”,存储在它的栈和寄存器内,这些都会存储在它的task_struct里面。task_struct是系统实现进程地址空间隔离的方法。

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struct task_struct {
/* these are hardcoded - don't touch */
long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
long counter;
long priority;
long signal;
struct sigaction sigaction[32]; /* info about how to handle every possible signal*/
long blocked; /* bitmap of masked signals */
/* various fields */
int exit_code;
unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack;
long pid,father,pgrp,session,leader;
unsigned short uid,euid,suid;
unsigned short gid,egid,sgid;
long alarm;
long utime,stime,cutime,cstime,start_time;
unsigned short used_math;
/* file system info */
int tty; /* -1 if no tty, so it must be signed */
unsigned short umask;
struct m_inode * pwd;
struct m_inode * root;
struct m_inode * executable;
unsigned long close_on_exec;
struct file * filp[NR_OPEN];
/* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */
struct desc_struct ldt[3];
/* tss for this task */
struct tss_struct tss;
};

当整个系统的初始化结束后,进程0会启动一个内核线程 (init()),然后进入idle模式。当操作系统中没有其他进程时,调度器 (scheduler) 会运行这个idle进程。

事实上,这个idle进程 (进程0)是唯一一个不是动态创建的进程。在编译内核的时候,我们就已经静态定义了它的栈空间 (它的名字是init_task).

Fork()实现

创建子进程需要内核权限,当fork()被调用时,一个新的task_struct被创建。父进程的信息被复制进子进程。

Linux允许两个进程共享资源,包括文件,signal handler,和虚拟内存。相应资源的count会增加,这样系统就不会错误地释放资源(比如关闭正在被读取的文件),创造危险的空指针。比如当父进程和子进程同时拥有指向某个mm_struct的指针,那么mm_struct中的count就会增加,操作系统会在释放它之前检查count域。

克隆进程的虚拟内存要麻烦一些。一组新的vm_area_struct,它们的mm_struct以及子进程的页表需要被操作系统生成。在此刻,父进程的虚拟内存还没有被复制。父进程的虚拟内存可能在物理内存中,可能在父进程正在执行的可执行映象中,或是在某个swap文件中 (因为它正被运行)。由此可见,复制它的开销并不小。

所以Linux使用写时复制策略,这意味着仅当两个进程之一尝试向其写入时才复制虚拟内存,它才会为子进程复制。只读的页面是共享的,为了使“写时复制”起作用,可写区域的页表条目被标记为只读,而描述它们的vm_area_struct数据结构被标记为copy_on_write,当进程之一尝试写入此虚拟内存时,将发生page fault,此时,Linux将复制内存并修复两个进程的页表和虚拟内存数据结构。