linux中的fork函數(shù)是如何創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程的-創(chuàng)新互聯(lián)

本篇文章為大家展示了linux中的fork函數(shù)是如何創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程的，內(nèi)容簡(jiǎn)明扼要并且容易理解，絕對(duì)能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

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前面已經(jīng)談了內(nèi)核加載與系統(tǒng)引導(dǎo)過程，下面我們來看看內(nèi)核的 do_fork() 函數(shù)是如何創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程的。


在 Linux 內(nèi)核中,供用戶創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用fork()函數(shù)的響應(yīng)函數(shù)是 sys_fork()、sys_clone()、sys_vfork()。這三個(gè)函數(shù)都是通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù) do_fork() 來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)


調(diào)用時(shí)所使用的 clone_flags 參數(shù)不同，do_fork() 函數(shù)完成的工作也各異。


這部分內(nèi)容簡(jiǎn)單，我不打算就此而展開分析。下面我們重點(diǎn)來講解以下 do_fork() 函數(shù)的工作原理。


我們知道 do_fork() 函數(shù)生成一個(gè)新的進(jìn)程，大致分為三個(gè)步驟。


1、建立進(jìn)程控制結(jié)構(gòu)并賦初值，使其成為進(jìn)程映像。這個(gè)過程完成以下內(nèi)容。



    在內(nèi)存中分配一個(gè) task_struct 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以代表即將產(chǎn)生的新進(jìn)程。

    把父進(jìn)程 PCB 的內(nèi)容復(fù)制到新進(jìn)程的 PCB 中。

    為新進(jìn)程分配一個(gè)的進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào) PID 和 user_struct 結(jié)構(gòu)。然后檢查用戶具有執(zhí)行一個(gè)新進(jìn)程所必須具有的資源。

    重新設(shè)置 task_struct 結(jié)構(gòu)中那些與父進(jìn)程值不同的數(shù)據(jù)成員。

    設(shè)置進(jìn)程管理信息，根據(jù)所提供的 clone_flags 參數(shù)值，決定是否對(duì)父進(jìn)程 task_struct 中的指針 fs 、files 指針等所選擇的部分進(jìn)行拷貝，如果 clone_flags 參數(shù)指明的是


    共享而不是拷貝，則將其計(jì)數(shù)器 count 的值加 1 ，否則就拷貝新進(jìn)程所需要的相關(guān)信息內(nèi)容 PCB 。這個(gè)地方是區(qū)分 sys_fork() 還是 sys_clone() 。

2、必須為新進(jìn)程的執(zhí)行設(shè)置跟蹤進(jìn)程執(zhí)行情況的相關(guān)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括 任務(wù)數(shù)組、自由時(shí)間列表 tarray_freelist 以及 pidhash[] 數(shù)組。

這部分完成如下內(nèi)容：



    把新進(jìn)程加入到進(jìn)程鏈表中。

    把新進(jìn)程加入到 pidhash 散列表中，并增加任務(wù)計(jì)數(shù)值。

    通過拷貝父進(jìn)程的上、下文來初始化硬件的上下文（TSS段、LDT以及 GDT）。

3、啟動(dòng)調(diào)度程序，使子進(jìn)程獲得運(yùn)行的機(jī)會(huì)。

這部分完成以下動(dòng)作：



    設(shè)置新的就緒隊(duì)列狀態(tài) TASK_RUNING , 并將新進(jìn)程掛到就緒隊(duì)列中，并重新啟動(dòng)調(diào)度程序使其運(yùn)行。

    向父進(jìn)程返回子進(jìn)程的 PID，設(shè)置子進(jìn)程從 do_fork() 返回 0 值。

下面就具體的 do_fork() 函數(shù)程序代碼進(jìn)行分析（該代碼位于 kernel/fork.c 文件中）



int do_fork(unsigned long clone_flags,unsigned long stack_start, struct pt_regs *regs,

                unsigned long stack_size)

{

        int                   retval;

        struct  task_struct   *p;

        struct  completion    vfork;


        retval = -EPERM ;


        if ( clone_flags & CLONE_PID )

        {

              if ( current->pid )

                      goto fork_out;

        }


        reval = -ENOMEM ;

        

        p = alloc_task_struct();    // 分配內(nèi)存建立新進(jìn)程的 task_struct 結(jié)構(gòu)

        if ( !p )

               goto fork_out;


        *p = *current ;  //將當(dāng)前進(jìn)程的 task_struct 結(jié)構(gòu)的內(nèi)容復(fù)制給新進(jìn)程的 PCB結(jié)構(gòu)


        retval = -EAGAIN;


        //下面代碼對(duì)父、子進(jìn)程 task_struct 結(jié)構(gòu)中不同值的數(shù)據(jù)成員進(jìn)行賦值


        if ( atomic_read ( &p->user->processes ) >= p->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_cur

                && !capable( CAP_SYS_ADMIN ) && !capable( CAP_SYS_RESOURCE ))

                goto bad_fork_free;


        atomic_inc ( &p->user->__count);   //count 計(jì)數(shù)器加 1

        atomic_inc ( &p->user->processes); //進(jìn)程數(shù)加 1


        if ( nr_threads >= max_threads )

               goto bad_fork_cleanup_count ;


        get_exec_domain( p->exec_domain );


        if ( p->binfmt && p->binfmt->module )

                  __MOD_INC_USE_COUNT( p->binfmt->module ); //可執(zhí)行文件 binfmt 結(jié)構(gòu)共享計(jì)數(shù) + 1 

        p->did_exec = 0 ;                                   //進(jìn)程未執(zhí)行

        p->swappable = 0 ;                                  //進(jìn)程不可換出

        p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE ;                   //置進(jìn)程狀態(tài)

        copy_flags( clone_flags,p );                        //拷貝進(jìn)程標(biāo)志位

        p->pid = get_pid( clone_flags );                    //為新進(jìn)程分配進(jìn)程標(biāo)志號(hào)

        p->run_list.next = NULL ;

        p->run_list.prev = NULL ;

        p->run_list.cptr = NULL ;


        init_waitqueue_head( &p->wait_childexit );          //初始化 wait_childexit 隊(duì)列


        p->vfork_done  = NULL ;


        if ( clone_flags & CLONE_VFORK ) {

               p->vfork_done = &vfork ; 

               init_completion(&vfork) ;

        }


        spin_lock_init( &p->alloc_lock );


        p->sigpending = 0 ;


        init_sigpending( &p->pending );

        p->it_real_value = p->it_virt_value = p->it_prof_value = 0 ; //初始化時(shí)間數(shù)據(jù)成員

        p->it_real_incr = p->it_virt_incr = p->it_prof_incr = 0 ;    //初始化定時(shí)器結(jié)構(gòu)

        init_timer( &p->real_timer );

        p->real_timer.data = (unsigned long)p;

        p->leader = 0 ;

        p->tty_old_pgrp = 0 ;

        p->times.tms_utime = p->times.tms_stime = 0 ;                 //初始化進(jìn)程的各種運(yùn)行時(shí)間

        p->times.tms_cutime = p->times.tms_cstime = 0 ;

#ifdef CONFIG_SMP                 //初始化對(duì)稱處理器成員

   {

        int      i;

        p->cpus_runnable = ~0UL;

        p->processor = current->processor ;

        for( i = 0 ; i < smp_num_cpus ; i++ )

                 p->per_cpu_utime[ i ] = p->per_cpu_stime[ i ] = 0;

        spin_lock_init ( &p->sigmask_lock );

    }


#endif

        p->lock_depth = -1 ;        // 注意：這里 -1 代表 no ,表示在上下文切換時(shí)，內(nèi)核不上鎖

        p->start_time = jiffies ;   // 設(shè)置進(jìn)程的起始時(shí)間


        INIT_LIST_HEAD ( &p->local_pages );

        retval = -ENOMEM ;


        if ( copy_files ( clone_flags , p ))      //拷貝父進(jìn)程的 files 指針，共享父進(jìn)程已打開的文件

                goto bad_fork_cleanup ;


        if ( copy_fs ( clone_flags , p ))         //拷貝父進(jìn)程的 fs 指針，共享父進(jìn)程文件系統(tǒng)

                goto bad_fork_cleanup_files ;


        if ( copy_sighand ( clone_flags , p ))    //子進(jìn)程共享父進(jìn)程的信號(hào)處理函數(shù)指針

                goto bad_fork_cleanup_fs ;


        if ( copy_mm ( clone_flags , p ))

                goto bad_fork_cleanup_mm ;        //拷貝父進(jìn)程的 mm 信息，共享存儲(chǔ)管理信息


        retval = copy_thread( 0 , clone_flags , stack_start, stack_size , p regs );

                                                  //初始化 TSS、LDT以及GDT項(xiàng)


        if ( retval )

                goto bad_fork_cleanup_mm ;


        p->semundo = NULL ;                       //初始化信號(hào)量成員


        p->prent_exec_id = p-self_exec_id ;


        p->swappable = 1 ;                        //進(jìn)程占用的內(nèi)存頁(yè)面可換出


        p->exit_signal = clone_flag & CSIGNAL ;


        p->pdeatch_signal = 0 ;                   //注意：這里是父進(jìn)程消亡后發(fā)送的信號(hào)


        p->counter = (current->counter + 1) >> 1 ;//進(jìn)程動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，這里設(shè)置成父進(jìn)程的一半,應(yīng)注意的是，這里是采用位操作來實(shí)現(xiàn)的。


        current->counter >> =1;


        if ( !current->counter )

                current->need_resched = 1 ;        //置位重新調(diào)度標(biāo)記，實(shí)際上從這個(gè)地方開始，分裂成了父子兩個(gè)進(jìn)程。

        

        retval = p->pid ;


        p->tpid = retval ;

        INIT_LIST_HEAD( &p->thread_group );


        write_lock_irq( &tasklist_lock );


        p->p_opptr = current->p_opptr ;

        p->p_pptr = current->p_pptr ;


        if ( !( clone_flags & (CLONE_PARENT | CLONE_THREAD ))) {

                 p->opptr = current ;

                 if ( !(p->ptrace & PT_PTRACED) )

                         p->p_pptr = current ;

        }


        if ( clone_flags & CLONE_THREAD ){

                 p->tpid = current->tpid ;

                 list_add ( &p->thread_group,&current->thread_group );

        }


        SET_LINKS(p);


        hash_pid(p);

        nr_threads++;


        write_unlock_irq( &tasklist_lock );

        if ( p->ptrace & PT_PTRACED )

                  send_sig( SIGSTOP , p ,1 );

        wake_up_process(p);        //把新進(jìn)程加入運(yùn)行隊(duì)列，并啟動(dòng)調(diào)度程序重新調(diào)度，使新進(jìn)程獲得運(yùn)行機(jī)會(huì)

        ++total_forks ; 

        if ( clone_flags & CLONE_VFRK )

                  wait_for_completion(&vfork);


        //以下是出錯(cuò)處理部分

        fork_out:

                  return retval;

        bad_fork_cleanup_mm:

                  exit_mm(p);

        bad_fork_cleanup_sighand:

                  exit_sighand(p);

        bad_fork_cleanup_fs:

                  exit_fs(p);

        bad_fork_cleanup_files:

                  exit_files(p);


        bad_fork_cleanup:

                  put_exec_domain( p->exec_domain );


                  if ( p->binfmt && p->binfmt->module )

                                __MOD_DEC_USE_COUNT( p->binfmt->module );

        bad_fork_cleanup_count:

                  atomic_dec( &p->user->processes );

                  free_uid ( p->user );

        bad_fork_free:

                  free_task_struct(p);

                  goto fork_out;

}




PS:

代碼是分析完了，有兩個(gè)方面的體會(huì)：

一、這個(gè)函數(shù)重點(diǎn)是理解進(jìn)程分裂的部分，其中兩次返回 pid 的值是理解的重中之重。

二、盡管我一直不主張?jiān)诔绦蛑写罅渴褂?goto 語(yǔ)句，不得不承認(rèn)，那些大牛的 goto 語(yǔ)句用在此處是恰到好處啊。^_^

上述內(nèi)容就是linux中的fork函數(shù)是如何創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程的，你們學(xué)到知識(shí)或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識(shí)儲(chǔ)備，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

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