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进程管理(八)–创建进程fork

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在最新的版本的POSIX标准中，定义了进程创建和终止的操作，进程创建包括fork()和execve()，进程终止包括wait()，waitpid()，kill()以及exit()。Linux系统为了提高效率，把POSIX标准的fork()扩展为vfork和clone。

前面一章我们学习了用GCC将一个最简单的程序(如hello world程序)编译成ELF文件，在shell提示符下输入该可执行文件并且按回车后，这个程序就开始执行了。起始这里shell会调用fork()来创建一个新进程，然后调用execve()来执行这个新程序。该函数负责读取可执行文件，将其装入子进程的地址空间并开始执行，这时候父子进程开始分道扬镳。

这一节，我们就来看一看，fork系统调用的实现，创建进程这个动作在内核里都做了什么事情。



1 _do_fork函数分析

在内核中，fork()、vfork()和clone()系统调用通过_do_fork()函数实现，_do_fork()函数实现在kernel/fork.c文件中 

long _do_fork(unsigned long clone_flags,
	      unsigned long stack_start,
	      unsigned long stack_size,
	      int __user *parent_tidptr,
	      int __user *child_tidptr,
	      unsigned long tls)


_do_fork函数有6个参数，具体的含义如下：

参数 说明
clone_flags 创建进程的标志位集合，常见的标志位如下所示
stack_start 用户态栈的起始地址
stack_size 用户态栈的大小，通常设置为0
parent_tidptr和child_tidptr 指向用户空间中地址的两个指针，分别指向父、子进程的ID
tls 传递线程本地存储


常见的标志位，选取其中常用的几个

标志位 含义
CLONE_VM 父、子进程共享进程地址空间
CLONE_FS 父、子进程共享文件系统信息
CLONE_FILES 父、子进程共享打开的文件
CLONE_SIGHAND 父、子进程共享信号处理函数以及被阻塞的信号
CLONE_VFORK 在创建子进程时启用Linux内核的完成量机制，wait_for_completion会使父进程进入睡眠状态，直到子进程调用execve或exit释放内存
CLONE_IO 复制I/O上下文
CLONE_PTRACE 父进程被跟踪、子进程也会被跟踪

_do_fork()函数主要是调用copy_process函数来创建子进程的task_struct数据结构，以及从父进程复制必要的内容到子进程的task_struct数据结构中，完成子进程的创建，如下图所示

在这里插入图片描述



第一步、检查子进程是否允许被跟踪

如果父进程正在被跟踪(即current->ptrace不为0时)，检查debugger程序是否想跟踪子进程，并且子进程不是内核进程(CLONE_UNTRACED未设置)那么就设置CLONE_PTRACE标志，即子进程也被跟踪 

	if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {
		if (clone_flags & CLONE_VFORK)
			trace = PTRACE_EVENT_VFORK;
		else if ((clone_flags & CSIGNAL) != SIGCHLD)
			trace = PTRACE_EVENT_CLONE;
		else
			trace = PTRACE_EVENT_FORK;

		if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))
			trace = 0;
	}



第二步、复制进程描述符，返回的是新的进程描述符的地址

调用copy_process函数创建一个新的子进程，如果成功就返回子进程的task_struct 

	p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
			 child_tidptr, NULL, trace, tls, NUMA_NO_NODE);
	add_latent_entropy();



第三步、初始化完成量

对于vfork创建的子进程，首先要保证子进程先运行，子进程调用exec()或exit()之后，才可以调度，运行父进程，因此这里使用了一个vfork_done的完成量达到该目的。 

		struct completion vfork;
		struct pid *pid;

		trace_sched_process_fork(current, p);
//1. 由子进程的task_struct数据结构来获取PID
		pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
//2. pid_vnr获取虚拟的PID,即从当前命令空间内部看到的PID
		nr = pid_vnr(pid);

		if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
			put_user(nr, parent_tidptr);
//3. init_completion初始化完成量
		if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
			p->vfork_done = &vfork;
			init_completion(&vfork);
			get_task_struct(p);
		}



第四步、唤醒新进程

wake_up_new_task函数用于唤醒新创建的进程，也就是把进程加入就绪队列里并接受调度、运行。 

	wake_up_new_task(p);//将子进程加入到调度器中，为其分配 CPU，准备执行



第五步、等待子进程完成

对于使用vfork()，wait_for_vfork_done函数等待子进程调用exec()或exit() 

		/* forking complete and child started to run, tell ptracer */
		if (unlikely(trace))
			ptrace_event_pid(trace, pid);

		if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
			if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
				ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
		}



第六步、返回子进程的ID

在父进程返回用户空间时，其返回子进程的ID，子进程返回用户空间时，其返回值为0。


do_fork函数执行后就存在两个进程，而且每个进程都会从

_do_fork函数的返回处执行。程序可以通过fork的返回值来区分父、子进程

  • 父进程，返回新创建的子进程的ID
  • 子进程，返回0

其处理流程如下图所示

在这里插入图片描述



2 copy_process函数分析

copy_process函数使fork的核心函数，它会创建新进程的描述符，以及新进程执行所需要的其他数据结构，我们主要来看看这个具体做了些什么？



第一步、标志位检查

 

// 1. CLONE_NEWS表明父子进程不共享mount的命名空间，每个进程可以拥有属于自己的mount空间
	if ((clone_flags & (CLONE_NEWNS|CLONE_FS)) == (CLONE_NEWNS|CLONE_FS))
		return ERR_PTR(-EINVAL);
// 2. CLONE_NEWUSER表示子进程要创建新的user命名空间，USER命令空间用于管理USER ID和Group ID的映射，起到隔离的作用
	if ((clone_flags & (CLONE_NEWUSER|CLONE_FS)) == (CLONE_NEWUSER|CLONE_FS))
		return ERR_PTR(-EINVAL);

	/*
	 * Thread groups must share signals as well, and detached threads
	 * can only be started up within the thread group.
	 */
// 3. CLONE_THREAD表示父子进程在同一个线程组里，POSIX标准规定在一个进程的内部，多个线程共享一个PID，但是linux为每个线程和进程都分配了PID
	if ((clone_flags & CLONE_THREAD) && !(clone_flags & CLONE_SIGHAND))
		return ERR_PTR(-EINVAL);

	/*
	 * Shared signal handlers imply shared VM. By way of the above,
	 * thread groups also imply shared VM. Blocking this case allows
	 * for various simplifications in other code.
	 */
// 4. CLONE_SIGHAND表明父子进程共享相同的信号处理表，CLONE_VM表明父子进程共享内存空间
	if ((clone_flags & CLONE_SIGHAND) && !(clone_flags & CLONE_VM))
		return ERR_PTR(-EINVAL);

	/*
	 * Siblings of global init remain as zombies on exit since they are
	 * not reaped by their parent (swapper). To solve this and to avoid
	 * multi-rooted process trees, prevent global and container-inits
	 * from creating siblings.
	 */
// 5. CLONE_PARENT表明新创建的进程是兄弟关系，而不是父子关系，他们拥有相同的父进程
	if ((clone_flags & CLONE_PARENT) &&
				current->signal->flags & SIGNAL_UNKILLABLE)
		return ERR_PTR(-EINVAL);

	/*
	 * If the new process will be in a different pid or user namespace
	 * do not allow it to share a thread group with the forking task.
	 */
// 6. CLONE_NEWPID表明创建一个新的PID命名空间
	if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
		if ((clone_flags & (CLONE_NEWUSER | CLONE_NEWPID)) ||
		    (task_active_pid_ns(current) !=
				current->nsproxy->pid_ns_for_children))
			return ERR_PTR(-EINVAL);
	}


第二步、分配一个task_struct数据结构

dup_task_struct()为新进程分配一个task_struct数据结构，后续补充这个函数做了些什么？ 

	retval = security_task_create(clone_flags);
	if (retval)
		goto fork_out;

	retval = -ENOMEM;
	p = dup_task_struct(current, node);
	if (!p)
		goto fork_out;



第三步、复制父进程

user数据结构中的processes成员记录了该用户的进程数，这里检查进程数是否超过了进程资源的限制RLIMIT_NPROC 

	ftrace_graph_init_task(p);

	rt_mutex_init_task(p);

#ifdef CONFIG_PROVE_LOCKING
	DEBUG_LOCKS_WARN_ON(!p->hardirqs_enabled);
	DEBUG_LOCKS_WARN_ON(!p->softirqs_enabled);
#endif
	retval = -EAGAIN;
// 1. 检查进程数是否超过限制，由操作系统定义
	if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
			task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
		if (p->real_cred->user != INIT_USER &&
		    !capable(CAP_SYS_RESOURCE) && !capable(CAP_SYS_ADMIN))
			goto bad_fork_free;
	}
	current->flags &= ~PF_NPROC_EXCEEDED;
//2. 复制父进程
	retval = copy_creds(p, clone_flags);
	if (retval < 0)
		goto bad_fork_free;


第四步、初始化task_stcut
 

//初始化子进程描述符中的list_head数据结构和自旋锁，并为与挂起信号、定时器及时间统计表相关的几个字段赋初值。
	delayacct_tsk_init(p);	/* Must remain after dup_task_struct() */
	p->flags &= ~(PF_SUPERPRIV | PF_WQ_WORKER);
	p->flags |= PF_FORKNOEXEC;
	INIT_LIST_HEAD(&p->children);
	INIT_LIST_HEAD(&p->sibling);
	rcu_copy_process(p);
	p->vfork_done = NULL;
	spin_lock_init(&p->alloc_lock);

	init_sigpending(&p->pending);

	p->utime = p->stime = p->gtime = 0;
	p->utimescaled = p->stimescaled = 0;
	prev_cputime_init(&p->prev_cputime);


第五步、初始化进程调度相关的数据结构

sched_fork函数初始化与进程调度相关的数据结构，调度实体用sched_entity数据结构来抽象，每个进程或线程都是一个调度实体。 

	/* Perform scheduler related setup. Assign this task to a CPU. */
	retval = sched_fork(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_policy;


第六步、初始化task_struct结构的其他数据结构
 

	retval = perf_event_init_task(p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_policy;
	retval = audit_alloc(p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_perf;
	/* copy all the process information */
	shm_init_task(p);
	retval = copy_semundo(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_audit;
	retval = copy_files(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_semundo;
	retval = copy_fs(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_files;
	retval = copy_sighand(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_fs;
	retval = copy_signal(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_sighand;
	retval = copy_mm(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_signal;
	retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_mm;
	retval = copy_io(clone_flags, p);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_namespaces;
	retval = copy_thread_tls(clone_flags, stack_start, stack_size, p, tls);
	if (retval)
		goto bad_fork_cleanup_io;

	if (pid != &init_struct_pid) {
		pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
		if (IS_ERR(pid)) {
			retval = PTR_ERR(pid);
			goto bad_fork_cleanup_thread;
		}
	}
  • copy_files 主要用于复制一个进程打开的文件信息。这些信息用一个结构 files_struct 来维护，每个打开的文件都有一个文件描述符。在 copy_files 函数里面调用 dup_fd，在这里面会创建一个新的 files_struct，然后将所有的文件描述符数组 fdtable 拷贝一份。
  • copy_fs 主要用于复制一个进程的目录信息。这些信息用一个结构 fs_struct 来维护。一个进程有自己的根目录和根文件系统 root，也有当前目录 pwd 和当前目录的文件系统，都在 fs_struct 里面维护。copy_fs 函数里面调用 copy_fs_struct，创建一个新的 fs_struct，并复制原来进程的 fs_struct。
  • copy_sighand 会分配一个新的 sighand_struct。这里最主要的是维护信号处理函数，在 copy_sighand 里面会调用 memcpy，将信号处理函数 sighand->action 从父进程复制到子进程。
  • init_sigpending 和 copy_signal 用于初始化，并且复制用于维护发给这个进程的信号的数据结构。copy_signal 函数会分配一个新的 signal_struct，并进行初始化。
  • 进程都自己的内存空间，用 mm_struct 结构来表示。copy_mm 函数中调用 dup_mm，分配一个新的 mm_struct 结构，调用 memcpy 复制这个结构。dup_mmap 用于复制内存空间中内存映射的部分。前面讲系统调用的时候，我们说过，mmap 可以分配大块的内存，其实 mmap 也可以将一个文件映射到内存中，方便可以像读写内存一样读写文件，这个在内存管理那节我们讲。
  • copy_namespace函数复制父进程的命名地址空间
  • copy_io函数复制父进程与I/O相关的内容
  • copy_thread_tls函数复制父进程的内核堆信息



第七步、分配ID

开始分配 pid，设置 tid，group_leader，并且建立进程之间的亲缘关系。 

	p->pid = pid_nr(pid);
	if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
		p->exit_signal = -1;
		p->group_leader = current->group_leader;
		p->tgid = current->tgid;
	} else {
		if (clone_flags & CLONE_PARENT)
			p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
		else
			p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
		p->group_leader = p;
		p->tgid = p->pid;
	}
  • pid_nr分配一个全局的PID，这个全局的PID是从init进程的命名空间的家督来看，是一个虚拟的PID
  • 设置group_leader和TGID



第八步、返回进程描述符

分配task_struct，并完成各项的初始化后，就返回子进程的描述符。

到此，copy_process函数的处理流程完毕，其处理流程如下图所示

在这里插入图片描述



3. wake_up_new_task唤醒新进程流程

用copy_process来拷贝出一个新的进程pcb，然后调用wake_up_new_task将新的进程放入运行队列并唤醒该进程。同时新任务刚刚建立，有没有机会抢占别人，获得 CPU 呢？ 

void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
{
	struct rq_flags rf;
	struct rq *rq;
//1. 需要将进程的状态设置为 TASK_RUNNING
	raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, rf.flags);
	p->state = TASK_RUNNING;
#ifdef CONFIG_SMP
	/*
	 * Fork balancing, do it here and not earlier because:
	 *  - cpus_allowed can change in the fork path
	 *  - any previously selected cpu might disappear through hotplug
	 *
	 * Use __set_task_cpu() to avoid calling sched_class::migrate_task_rq,
	 * as we're not fully set-up yet.
	 */
//2.这个函数会根据新创建的这个线程所属的调度类去执行不同的select_task_rq。
	__set_task_cpu(p, select_task_rq(p, task_cpu(p), SD_BALANCE_FORK, 0));
#endif
	rq = __task_rq_lock(p, &rf);
	post_init_entity_util_avg(&p->se);

	activate_task(rq, p, 0);
	p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
	trace_sched_wakeup_new(p);
	check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);
#ifdef CONFIG_SMP
	if (p->sched_class->task_woken) {
		/*
		 * Nothing relies on rq->lock after this, so its fine to
		 * drop it.
		 */
		lockdep_unpin_lock(&rq->lock, rf.cookie);
		p->sched_class->task_woken(rq, p);
		lockdep_repin_lock(&rq->lock, rf.cookie);
	}
#endif
	task_rq_unlock(rq, p, &rf);
}

activate_task 函数中会调用 enqueue_task，就会涉及到调度相关的流程，该内容在调度中进行学习。 

static inline void enqueue_task(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
	update_rq_clock(rq);
	if (!(flags & ENQUEUE_RESTORE))
		sched_info_queued(rq, p);
	p->sched_class->enqueue_task(rq, p, flags);
}

子进程创建后，肯定要加入到CPU的执行队列中，这样才有可能被执行，这是调用wake_up_new_task()来实现的。这是调度器与进程创建的第二个逻辑交互时机，内核会调用调度器类的task_new函数（sched_class结构中），将新进程加入到相应类的就绪队列。

至此，创建用户进程的过程就完成了。其主要的要点如下：

  1. 每个进程需要有一个内核栈，不管是4K还是8KB，这个内核栈需要包含两部分，一个是task_struct数据结构，另外一个是内核栈
  2. 继承父进程的task_struct数据结构，然后进行调整
  3. 设置进程空间的栈
  4. 拷贝父进程的进程地址空间给子进程
  5. 将子进程唤醒，设置到就绪队列中，初始化调度相关的，然后等待调度器进行调度



4. 总结

fork, vfork和clone的系统调用的入口地址分别是sys_fork, sys_vfork和sys_clone, 而他们的定义是依赖于体系结构的, 而他们最终都调用了_do_fork，在_do_fork中通过copy_process复制进程的信息，调用wake_up_new_task将子进程加入调度器中，其主要的工作内容如下：

  • copy_process()函数会做fork的大部分事情，它主要完成讲父进程的运行环境复制到新的子进程，比如信号处理、文件描述符和进程的代码数据等，初始化进程控制块中的所有成员，其处理流程如下

    在这里插入图片描述
  • wake_up_new_task()。计算此进程的优先级和其他调度参数，将新的进程加入到进程调度队列并设此进程为可被调度的，以后这个进程可以被进程调度模块调度执行。


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