进程管理(一) fork系统调用

 Linux下用于创建进程的API有三个fork,vfork和clone，这三个函数分别是通过系统调用sys_fork,sys_vfork以及sys_clone实现的

注：这里目前讨论的都是基于x86架构的

fork

int sys_fork(struct pt_regs *regs)
{
    return do_fork(SIGCHLD, regs->sp, regs, 0, NULL, NULL);
}

vfork

int sys_vfork(struct pt_regs *regs)
{
    return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, regs->sp, regs, 0,
         NULL, NULL);
}

clone

int sys_vfork(struct pt_regs *regs)
{
    return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, regs->sp, regs, 0,
         NULL, NULL);
}

由以上代码可知，最终这三个系统调用，都是通过do_fork来实现的，只是传入了不同的参数。

那么接下来先看看do_fork的实现

long do_fork(unsigned long clone_flags,
          unsigned long stack_start,
          struct pt_regs *regs,
          unsigned long stack_size,
          int __user *parent_tidptr,
          int __user *child_tidptr)
{
    struct task_struct *p;
    int trace = 0;
    long nr;

    /*
     * Do some preliminary argument and permissions checking before we
     * actually start allocating stuff
     */
    if (clone_flags & CLONE_NEWUSER) {
        if (clone_flags & CLONE_THREAD)
            return -EINVAL;
        /* hopefully this check will go away when userns support is
         * complete
         */
        if (!capable(CAP_SYS_ADMIN) || !capable(CAP_SETUID) ||
                !capable(CAP_SETGID))
            return -EPERM;
    }

    /*
     * When called from kernel_thread, don't do user tracing stuff.
     */
    if (likely(user_mode(regs)))
        trace = tracehook_prepare_clone(clone_flags);
1）
    p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size,
             child_tidptr, NULL, trace);
    /*
     * Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
     * might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
     */
    if (!IS_ERR(p)) {
        struct completion vfork;

        trace_sched_process_fork(current, p);
2）
        nr = task_pid_vnr(p);

        if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
            put_user(nr, parent_tidptr);

        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            p->vfork_done = &vfork;
            init_completion(&vfork);
        }

        audit_finish_fork(p);
        tracehook_report_clone(regs, clone_flags, nr, p);

        /*
         * We set PF_STARTING at creation in case tracing wants to
         * use this to distinguish a fully live task from one that
         * hasn't gotten to tracehook_report_clone() yet.  Now we
         * clear it and set the child going.
         */
        p->flags &= ~PF_STARTING;

        wake_up_new_task(p, clone_flags);

        tracehook_report_clone_complete(trace, regs,
                        clone_flags, nr, p);

        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            freezer_do_not_count();
            wait_for_completion(&vfork);
            freezer_count();
            tracehook_report_vfork_done(p, nr);
        }
    } else {
        nr = PTR_ERR(p);
    }
    return nr;
}

代码不是很长，但是涉及到很多工作，这里简单讲解一下主体流程，细节方面的东西后面再解释:

1、copy_process:这个步骤主要是执行生成新进程的主要工作，并根据指定的标志重用父进程的一些数据；

p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size,
             child_tidptr, NULL, trace);

2、确定PID:注意这里不是生成新的PID，而是确定局部PID；

nr = task_pid_vnr(p);

3、init_completion:初始化vfork的完成处理程序(即是vfork调用时设置的CLONE_VFORK标志)和ptrace标志；

if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            p->vfork_done = &vfork;
            init_completion(&vfork);
        }

4、wake_up_new_task:这个是保证子进程在父进程之前调用，如果子进程立即调用exec，这样可以极大的减少复制内存页的工作量；

wake_up_new_task(p, clone_flags);

5、wait_for_completion:跟上面的init_completion对应，让父进程在该task_struct的vfork_done成员上进入睡眠状态，直到子进程退出或者执行exec调用时，内核才会调用complete(vfork_done)，这样就会唤醒父进程（也包含其他因该变量睡眠的进程）。

if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            freezer_do_not_count();
            wait_for_completion(&vfork);
            freezer_count();
            tracehook_report_vfork_done(p, nr);
        }

这中间还有很多的细节没有讲解，这里主要梳理了一下大致的流程。

接下来会对上面的流程一一进行讲解。