fork，你拿什么证明你的写时拷贝（COW）

    前段时间在学习内核的进程管理方面的东西，看了进程创建和进程调度的代码，想写个大而全的东西，即有内核代码分析，又有一些实验在效果上证明内核的代码。 但是这篇文章很难产，感觉自己还是驾驭不了这个宏大的主题。 好久没写文章了，今天就放弃这个想法，写一个简单的东西。

 

    我们都知道fork创建进程的时候，并没有真正的copy内存，因为我们知道，对于fork来讲，有一个很讨厌的东西叫exec系列的系统调用，它会勾引子进程另起炉灶。如果创建子进程就要内存拷贝的的话，一执行exec，辛辛苦苦拷贝的内存又被完全放弃了。

    内核采用的策略是写时拷贝，换言之，先把页表映射关系建立起来，并不真正将内存拷贝。如果进程读访问，什么都不许要做，如果进程写访问，情况就不同了，因为父子进程的内存空间是独立的，不应该互相干扰。所以这时候不能在公用同一块内存了，否则子进程的改动会被父进程觉察到。

    下图是linux toolbox里面的一张图，比较好，我就拷贝出来了（如果有侵权通知立删），很好的解释了COW的原理。

    下面我们看下，fork一个进程，在kernel/fork.c文件中那些函数调到了。vfork，fork，pthread_create，最终，都会调用do_fork，所不同的就是传递的标志位不同，标志位又控制父子进程，或者父进程和线程他们哪些资源是共用的，哪些资源需要各存一份。

    

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<string.h>



int g_var[102400] = {0};
int main()
{
        int l_var[102400] = {0};
        fprintf(stderr,"g_var 's address is %lx\n",(unsigned long)g_var);

        fprintf(stderr,"l_var 's address is %lx\n",(unsigned long)l_var);

        memset(g_var,0,sizeof(g_var));
        memset(l_var,0,sizeof(l_var));

        sleep(15);

        int ret = fork();
        if(ret < 0 )
        {
                fprintf(stderr,"fork failed ,nothing to do now!\n");
                return -1;
        }

        if(ret == 0)
        {
                sleep(10);
                fprintf(stderr, "I begin to write now\n");

                fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
                               (unsigned long)(g_var+2048),g_var[2048]);
                g_var[2048] = 4;

                sleep(6);
                fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page fault\n",
                                (unsigned long)(g_var+10240),g_var[10240]);
                g_var[10240] = 8;


                sleep(4);
                fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
                                (unsigned long)(l_var+2048),l_var[2048]);
                l_var[2048] = 8;

                sleep(4);
                fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
                                 (unsigned long)(l_var+10240),l_var[10240]);
                l_var[10240] = 8;

        }
        if(ret >0)
        {
                waitpid(-1,NULL,0);
                fprintf(stderr,"child process exit, now check the value\n");
                fprintf(stderr,"g_var[%-6d] = %-4d\ng_var[%-6d] = %-4d\n",
                                2048,g_var[2048],10240,g_var[10240]);
                fprintf(stderr,"l_var[%-6d] = %-4d\nl_var[%-6d] = %-4d\n",
                                2048,l_var[2048],10240,l_var[10240]);

                return 0;
        }

}

    这里面执行了一个fork系统调用，我们调用下systemtap脚本看下他都调用了kernel/fork.c里面的那些函数：systemtap脚本如下：

probe kernel.function("*@kernel/fork.c")
{
        if(pid() == target())
        {
                printf("PID(%d) ,execname(%s)  probe point:(%s) \n",pid(),execname(),pp());
        }
}

probe timer.s(60)
{
        exit();
}

    

root@libin:~/program/systemtap/process# stap fork_call.stp -x 7192
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("do_fork@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:1364"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_process@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:978"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("dup_task_struct@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:221"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("account_kernel_stack@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:141"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("rt_mutex_init_task@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:941"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_flags@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:923"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:960"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_files@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:747"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_fs@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:727"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:799"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:854"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init_group@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:826"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:680"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("dup_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:624"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("mm_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:448"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("mm_alloc_pgd@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:403"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("mm_init_aio@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:440"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("mm_init_owner@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:951"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("dup_mmap@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:278"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("copy_io@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:774"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("__cleanup_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:816"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("__cleanup_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:916"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("mm_release@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:570"))
PID(7192) ,execname(fork_cow)  probe point:(kernel.function("mmput@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:509"))

    fork调用了do_fork这个内核函数，这个函数比较大，主干程序是copy_process，这里有一系列的copy_xxx系列产品，这个系列产品会根据传进来的标志位，来决定那些资源子进程需要copy一份，那些不用拷贝了，直接用父进程的就可以了。 我们关注的copy_mm这个函数，如果用户标志位中的CLONE_VM置了1，得了，和父进程共享一份就成了，不需要费劲在copy一份了：

    

if (clone_flags & CLONE_VM) {
    atomic_inc(&oldmm->mm_users);
    mm = oldmm;
    goto good_mm;
  }

    这个地方语意很怪，正常应该是CLONE_VM是1，我应该copy一份，但是正好相反，CLONE_XX意味值share_XX,意味着，不需要copy。

    需要copy内存的话，真正干活的函数是dup_mm，pthread_create函数就不会走到dup_mm函数，因为他不需要copy一份父进程的内存空间，他是共用一份内存空间的。请看下面pthread_create引发的do_fork。

root@libin:~/program/C/process_share# ./pthread_cmp &
[3] 7787
root@libin:~/program/C/process_share# thread OUT
thread IN
thread OUT

[2]-  Done                    ./pthread_cmp
[3]+  Done                    ./pthread_cmp

root@libin:~/program/systemtap/process# stap fork_call.stp -x 7787
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("do_fork@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:1364"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_process@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:978"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("dup_task_struct@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:221"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("account_kernel_stack@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:141"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("rt_mutex_init_task@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:941"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_flags@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:923"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:960"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_files@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:747"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_fs@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:727"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:799"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:854"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:680"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("copy_io@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:774"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("mm_release@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:570"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("mmput@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:509"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("__cleanup_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:816"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("mm_release@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:570"))
PID(7787) ,execname(pthread_cmp)  probe point:(kernel.function("mmput@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:509"))

    dup_mm这里面有两个分支指的注意

   1 mm_init-->mm_alloc_pgd

   2 dup_mmap

    这两个分支真正将父进程的页表拷贝了一份，尤其是dup_mmap，沿着copy_page_range-->copy_pud_range---> copy_pmd_range--->copy_pte_range,一路向西，将页表拷贝了一份。

    由于fork创建的子进程并没有拷贝整个内存，所以，当子进程修改内存某地址对应的值的时候，会产生缺页中断，page fault 。 我的C程序中有will cause page fault的字样，只要是写时拷贝，就会出现page fault 。 所以我们只需要在程序运行过程中监控page_fault，只要我们修改的变量的地址，引起了page fault，就证明fork 采用了COW 。

    看监控程序systemtap脚本：

#! /usr/bin/env stap

global fault_entry_time, fault_address, fault_access
global time_offset

probe begin { time_offset = gettimeofday_us() }

probe vm.pagefault {
  if(pid() == target() || ppid() == target())
  {
      t = gettimeofday_us()
      p = pid()
      fault_entry_time[p] = t
      fault_address[p] = address
      fault_access[p] = write_access ? "w" : "r"
  }
}

probe vm.pagefault.return {
  if(pid() == target() || ppid() == target())
  {
      t=gettimeofday_us()
      p = pid()
      if (!(p in fault_entry_time)) next
      e = t - fault_entry_time[p]
      if (vm_fault_contains(fault_type,VM_FAULT_MINOR)) {
        ftype="minor"
      } else if (vm_fault_contains(fault_type,VM_FAULT_MAJOR)) {
        ftype="major"
      } else {
        next #only want to deal with minor and major page faults
      }

      printf("%d:%d:%p:%s:%s:%d\n",
      t - time_offset, p, fault_address[p], fault_access[p], ftype, e)


      #free up memory
      delete fault_entry_time[p]
      delete fault_address[p]
      delete fault_access[p]
  }
}

probe timer.s(100){
   exit();
}

systemtap脚本的含义是跟踪指定进程和子进程，如果有page fault 会打印一条记录出来 。 

下面看现象：

root@libin:~/program/C/process_share# g_var 's address is 804a060
l_var 's address is bf8edf0c
I begin to write now
address at 804c060    value(0     ) will cause page falut
address at 8054060    value(0     ) will cause page fault
address at bf8eff0c   value(0     ) will cause page falut
address at bf8f7f0c   value(0     ) will cause page falut
.....

root@libin:~/program/systemtap#
root@libin:~/program/systemtap#
root@libin:~/program/systemtap# stap pfaults.stp  -x 9081
4767196:9081:0xb77ec72c:w:minor:35
4767230:9092:0xb77ec728:w:minor:23
4767239:9081:0xbf8edea8:w:minor:29

.....
14768229:9092:0x0804c060:w:minor:13









20768379:9092:0x08054060:w:minor:37






24768564:9092:0xbf8eff0c:w:minor:39





28768745:9092:0xbf8f7f0c:w:minor:39
...

这写个空格的出现是由于我手工敲的，因为中间有sleep，所以我有足够的时间敲回车。

产生了page_fault，证明了我们的推断。

另外我在调试的过程中发现，如果不调用memset，子进程退出后，父进程读访问数组指定位置的变量，也会出现page fault，有心的筒子可以自行验证。

提示： 代码在写博客的过程中有一些微调，输出格式有调整，也有其他的一些微调，所以可能输出和代码对应并不是100% 。 对此有困惑的筒子可以自行验证，总之我没有造假了，呵呵。

参考文献：

1 systemtap example

2 深入linux 内核架构

3 Linux Toolbox